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CAPTULO 2. ELEMENTOS PRIMARIOS DE MEDICIN

2.1 MEDIDAS DE PRESIN

Definicin:

La presin es una variable dinmica que mide la fuerza por unidad de superficie,

y puede expresarse en unidades como Pascal, bar, Atmsfera, Kcm2, Psi, etc. La tabla

2.1.1 muestra la relacin entre estas unidades.

Unidad bar mbar kbar Pa kPa MPa

1 bar 1 1000 0,001 105 100 0,1

1 mbar 0,001 1 10-6 100 0,1 10-4

1 kbar 1000 106 1 108 105 100

1 Pa 10-5 0,01 10-8 1 0,001 10-6

1 kPa 0,01 10 10-5 1000 1 0,0011 MPa 10 104 0,01 106 1000 1

Unidad bar Pa MPa kg/cm2 mm HgmmCE

psiplg

H2Oplg Hg

1 bar 1 105 0,1 1,02 7501,02 x

10414,50 401,5 29,53

1 Pa 10-5 1 10-61,02 x 10-

5

7,5 x

10-30,102

0,1450 x

10-3

4,015 x

10-3

0,2953 x

10-3

1 Mpa 10 106 1 10,2 7500 10,2 x104 145,0 4015 295,3

1 kg /cm2

0,9819,81 x

104

9,81 x

102

1 736 104 14,22 393,7 28,96

1 mmHg

1,333 x

10-3

133,32

1,333 x

10-4

1,36 x 10-

3

1 13,61,934 x

10-2

0,535

3,937 x

10-2

1 mmCE

9,81 x

10-5

9,81

9,81 x

10-6

10-4

7,36 x

10-2

1

1,422 x

10-3

3,937 x

10-2

2,896 x

10-3

1 psi6,895 x

10-2

6895

6,895 x

10-3

7,031 x

10-2

51,70 703,1 1 27,88 2,036

1 plgH2O

2,491 x

10-3

249,1

2,491 x

10-4

2,54 x 10-3

1,868 25,43,613 x

10-2

1

7,36 x 10-2

1 plg Hg3,386 x

10-2

3386,4

3,386 x

10-3

3,453 x

10-2

25,4 345,3 0,491 13,6 1

1 Pa = 1 N / m2 1 kPa = 1 kN / m2 1 MPa = 1 MN / m2

Tabla 2.1.1

TEMARIO
http://temario.pdf/http://temario.pdf/http://temario.pdf/


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La medicin de presin en general se evala con respecto a una presin de

referencia, como se ilustra en la figura 2.1.1.

Figura 2.1.1. Clases de presin.

LaPresin Absoluta: Se mide con relacin al cero absoluto de presin.

LaPresin Atmosfrica: Fuerza que ejerce el aire sobre los cuerpos que se hallan

en el seno de la atmsfera, y que se mide con el barmetro. A nivel del mar, es de

aproximadamente 760 mm. de mercurio absolutos o 14,7 psia (libras por pulgada

cuadrada absoluta).

La Presin Relativa: Es la determinada por un elemento que mide la diferencia

entre la presin absoluta y la atmosfrica del lugar donde se efecta la medicin. Si

aumenta o disminuye la presin atmosfrica, entonces disminuye o aumenta,

respectivamente la presin relativa leda.

La Presin Diferencial: Es la diferencia de presin que existe entre dospresiones.

Vaco: Es la diferencia de presiones entre la presin atmosfrica existente y lapresin absoluta, es decir, es la presin medida por debajo de la presin atmosfrica.

Las diferencias de la presin atmosfrica influyen considerablemente en las lecturas del

vaco.

El campo de aplicacin de los medidores de presin es amplio y abarca desde

valores muy bajos (vaco) hasta presiones de miles de bar.

Los instrumentos de presin se clasifican en cuatro grupos: mecnicos,

neumticos, electromecnicos y electrnicos.

2.1.1 INSTRUMENTOS MECNICOS.

Estos elementos se subdividen a su vez en elementos primarios de medida

directa, que miden la presin comparndola con la ejercida por un lquido de densidad y

alturas conocidas, y los elementos primarios elsticos, que se deforman por la presin

interna del fluido que contienen.


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! Elementos Primarios medida directa:

o Barmetro

o Manmetro de tubo en U

o Manmetro de tubo inclinado

o Manmetro de Campana

o Manmetro de toro Pendular

! Elementos Primarios Elsticos

o Tubo de Bourdon

o Elemento en Espiral

o Helicoidal

o Diafragma

o Fuelle.

2.1.1.1. Elementos Primarios de Medida Directa

a) Barmetro de Cubeta:

Es un ejemplo de manmetro absoluto. Se compone de un tubo de vidrio de unos

85 cms. de longitud cerrado por uno de sus extremos y sumergido por el otro en una

cubeta con mercurio, despus de haberle llenado de este metal. El mercurio desciende

en el tubo hasta que el peso del aire equilibra el de la columna de mercurio. Una escala

graduada en milmetro, cuyo 0 (cero) coincide con el nivel del mercurio en la cubeta,

sirve para poder darse cuenta de las variaciones de presin y de su valor en milmetros.

Figura 2.1.2. Barmetro de Cubeta.

b) Manmetro de Tubo en U:

El manmetro de tubo en U es el ms simple, est constituido por un tubo de

vidrio, en forma de U, con los extremos abiertos, que contiene un lquido (en general

agua o mercurio) hasta casi la mitad.


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Para medir la presin se pone en contacto uno de los tubos con el gas y el otro se

deja abierto al aire libre (para medir presin atmosfrica), o se coloca ambos tubos en

contactos con el gas en zonas de distinta presin (para medir presin diferencial). El

desnivel que se produce multiplicado por el peso especfico del lquido contenido, da el

valor de presin. Para la lectura de los niveles en ambas ramas del tubo, se aplica una

escala graduada en milmetros Figura 2.1.3.

Figura 2.1.3. Manmetro de tubo en U.

c)Manmetro de tubo inclinado:

Se representa en la figura 2.1.4. El lquido manomtrico suele ser alcohol. Se

utiliza para medir con precisin pequeas presiones del orden de 250 a 1 500 Pa. La

ventaja de este manmetro es la amplificacin que se obtiene en la lectura, l, al dividir

!h por sen ".

En efecto, llamando pamb, pabs y pe a la presin atmosfrica, a la presinabsoluta y a la presin relativa, respectivamente, se tiene:

pabs = pamb + #g!h

o bien

pe = #g!h = #gl . sen "

donde # densidad absoluta del lquido manomtrico.


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Haciendo " muy pequeo se consigue un l grande para una presin pe

pequea, es decir, se aumenta la precisin del instrumento. Algunos manmetros se

construyen de manera que pueda fcilmente variarse ".

Figura 2.1.4. Manmetro de tubo inclinado

2.1.1.2. Elementos Primarios Elsticos.

a) Tubo Bourdon:

El elemento ms sencillo y antiguo que se conoce para medir la presin es el

tubo de Bourdon, inventado en 1849 por el ingeniero francs Eugene Bourdon.

Bsicamente, es un elemento mecnico de presin, consiste en un ensamble

cuyas dimensiones o configuracin varan cuando se somete a un cambio de presin. El

tubo de Bourdon es de forma semicircular y su seccin transversal es oval, uno de sus

extremos est cerrado y el otro se conecta a una fuente de presin. Cuando la presin se

aplica al extremo abierto, el tubo tiende a enderezarse, y el movimiento es transferido a

una aguja indicadora, por un sector dentado y un pin, conectada al extremo cerrado

del tubo, que indica este cambio en la dimensin (movimiento), que es proporcional a la

cantidad de presin aplicada. El material empleado normalmente en el tubo de Bourdon

es de acero inoxidable, aleacin de cobre o aleaciones especiales como Hatelloy yMonel.

Figura 2.1.5. Tubo de Bourdon.


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b) Elemento en espiral:

Se forma arrollando el tubo de Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje

comn, semejante a una bobina plana.

Figura 2.1.6. Bourdon Espiral en un transmisor de presin por balance de movimiento

c) Elemento helicoidal:

Es otra mejora del tubo Bourdon. Se forma arrollando verticalmente ms de una

espira en forma de hlice parecida a un resorte.

Figura 2.1.7. Bourdon Helicoidal.

Los elementos espiral y helicoidal producen un mayor movimiento por unidad

de presin aplicada, en comparacin con el tubo de Bourdon. Actualmente, los tubos de

Bourdon se encuentran ms frecuentemente en instrumentos indicadores, en tanto que

los espirales y helicoidales se usan casi siempre en instrumentos de transmisin, registro

y control.

Por lo general, los elementos del tipo de tubo de Bourdon no se utilizan para la

medicin de presiones bajas; para esto se utilizan los de fuelle y diafragma.

d) Diafragma:

Consiste en una o varias cpsulas circulares conectadas rgidas entre s por

soldadura, de forma que al aplicar presin, cada cpsula se deforma y la suma de los

pequeos desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. El sistema se

proyecta de tal modo que, al aplicar presin, el movimiento se aproxima a una relacin

lineal en un intervalo de medida lo ms amplio posible con una mnima de histresis y

de desviacin permanente en el cero del instrumento.


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El material del diafragma es normalmente aleacin nquel o inconel. Se utiliza

para pequeas presiones.

La figura 2.1.8 muestra 3 configuraciones tpicas usadas en sensores de presin

tipo diafragma con referencia atmosfrica.

(a) Flexible (b) en mltiples capas (c) Anidados

Figura 2.1.8. Diafragmas.

e) Fuelle:

Se usa para mrgenes intermedios de presin, miden variaciones superiores a las

que generalmente se determinan con el diafragma, pero no tan grandes como las que se

aplican a las unidades tipo Bourdon, el espiral o hlice.

Es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente,

y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.

Los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duracin, demostrada enensayos, en los que han soportado sin deformacin alguna, millones de ciclos de

flexin. El material empleado para el fuelle es usualmente bronce fosforoso y el muelle

es tratado trmicamente para mantener fija su constante de fuerza por unidad de

compresin.

En la tabla 2.1.2 pueden verse las caractersticas de los elementos mecnicos

descritos.


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Campo de medida

Precisin en

% de toda la

escala

Temperatura

mxima de

servicio

Presin

esttica

mxima

Barmetro cubeta 0,1 - 3 m cda 0,5 - 1% Ambiente 6 bar

Tubo en U 0,2 - 1,2 m cda 0,5 - 1% Ambiente 10 bar

Tubo inclinado 0,01 - 1,2 m cda 0,5 - 1% Ambiente 10 bar

Toro pendular 0,5 - 10 m cda 0,5 - 1% Ambiente 100 - 600 bar Manmetro campana 0,005 - 1 m cda 0,5 - 1% Ambiente Atmosfrica

Tubo Bourdon 0,5 - 6000 bar 0,5 - 1% 90 C 6000 bar

Espiral 0,5 - 2500 bar 0,5 - 1% 90 C 2500 bar

Helicoidal 0,5 - 5000 bar 0,5 - 1% 90 C 5000 bar

Diafragma 50 mm cda - 2 bar 0,5 - 1% 90 C 2 bar

Fuelle 100 mm cda - 2 bar 0,5 - 1% 90 C 2 bar

Instrumento

Med

idadirecta

Elsticos

Tabla 2.1.2. Elementos mecnicos.

2.1.2 INSTRUMENTOS NEUMTICOS

Como elementos neumticos se considerarn los instrumentos transmisores

neumticos, cuyo elemento de medida es de presin adecuado al campo de medida

correspondiente. Se presentan a continuacin tres ejemplos de transmisores:

a) Transmisor de equilibrio de movimientos:

El transmisor de equilibrio de movimientos (Figura 2.1.9) compara el

movimiento del elemento de medicin asociado al obturador con un fuelle de

realimentacin de la presin posterior de la tobera. El conjunto se estabiliza segn la

diferencia de movimientos alcanzando siempre una posicin de equilibrio tal que existe

una correspondencia lineal entre la variable y la seal de salida.

Figura 2.1.9. Transmisor de equilibrio de movimiento tipo fuelle.

Estos instrumentos se utilizan en la transmisin de presin, donde los elementos

de medida tales como tubo de Bourdon o manmetros de fuelle son capaces degenerar

un movimientos amplio, sea directamente o bien a travs de palancas con la suficientefuerza para eliminar el error de histresis que pudiera producirse. Si la fuerza disponible

es pequea, aparte de la histresis, el tiempo necesario para el movimiento es grande y

el transmisor es lento en responder a los cambios de la variable. En estos casos se

recurre a los transmisores de equilibrio de fuerzas en los que bsicamente el elemento

primario de medida genera que se equilibra con otra igual y opuesta producida por el

transmisor.


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La figura 2.1.10 muestra distintas configuraciones de transmisores de equilibrio

de movimiento utilizados para la medicin de distintos tipos de presiones. En el caso de

la figura 2.1.10 (a) se tiene un sensor de fuelle con balance de palanca, utilizado para la

medicin de presin absoluta. La figura 2.1.10 (b) representa un sensor de fuelles

opuestos, tambin utilizado para la medicin de presin absoluta. En el caso (c) y (d) se

tienen dos configuraciones de un sensor de fuelle con resorte calibrado, utilizado para la

medicin de presin manomtrica. En (e) se aprecia un transmisor de presin porbalance de movimiento con un Bourdon espiral, mientras que en (f) se puede ver un

sensor de presin tipo diafragma utilizado para la medicin de presin absoluta.

(a) Sensor de fuelle con balance de

palancas

(b) Sensor de fuelles opuestos

(c) Sensor de fuelle con resorte calibrado

(Configuracin 1)

(d) Sensor de fuelle con resorte calibrado

(Configuracin 2)


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(e) Sensor de presin de Bourdon espiral (f) Sensor de presin tipo diafragma

Figura 2.1.10. Transmisores de equilibrio de movimiento

b) Transmisor de equilibrio de fuerzas:

Puede observarse en la (Figura 2.1.11) que el elemento de medicin ejerce una

fuerza en el punto A sobre la palanca AC que tiene su punto de apoyo en D. Cuando

aumenta la fuerza ejercida por el elemento de medicin la palanca se desequilibra, tapa

la tobera, la presin aumenta y el diafragma ejerce una fuerza hacia arriba alcanzndoseun nuevo equilibrio. Hay que sealar que en este transmisor los movimientos son

inapreciables.

Figura 2.1.11. Transmisor de equilibrio de fuerzas.

En la figura 2.1.12 se pueden apreciar distintas configuraciones de transmisores

de presin por equilibrio de fuerzas. En (a) se muestra un sensor de presin tipo fuelle

utilizado para medir presin absoluta, en (b) y (c) tambin se tienen dos sensores tipo

fuelle, pero estos son utilizados en la medicin de presiones manomtricas. En (d) se

muestra un sensor de presin de Bourdon utilizado para trabajar por equilibrio de

fuerzas, mientras que en (e) se tiene un sensor de presin tipo diafragma utilizado para

la medicin de presin absoluta.


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(a) Sensor de presin absoluta tipo fuelle (b) Sensor de presin tipo fuelle para

presiones manomtricas bajas

(c) Sensor de presin tipo fuelle para

presiones manomtricas

(d) Sensor de presin de Bourdon tipo C

(e) Sensor de presin tipo diafragma.

Figura 2.1.12. Transmisores de equilibrio de fuerzas

c) Transmisor de equilibrios de momentos:

En este transmisor de caudal, el desequilibrio de fuerzas producido por el caudal

crea un par al que se opone el generado por el fuelle de realimentacin a travs de una

rueda de apoyo mvil situada en el brazo transmisor.

El tipo de transmisor queda determinado por el campo de medida del

instrumento. As por ejemplo, un transmisor de 0-20 Kg/cm2utilizar un transmisor de


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equilibrio de fuerzas de tipo Bourdon, mientras que uno de 3-15 psi ser de equilibrio

de movimientos con elemento de fuelle.

2.1.3 ELEMENTOS ELECTROMECNICOS

Estos elementos de presin estn compuestos por un elemento mecnico elsticocombinado con un transductor elctrico que genera la seal elctrica correspondiente. El

elemento mecnico consiste en un tubo de Bourdon, espiral, hlice diafragma, fuelle o

una combinacin de los mismos que a travs de un sistema de palancas convierte la

presin en un desplazamiento mecnico de fuerza. Este elemento se clasifican segn su

funcionamiento en:

Transmisores electrnicos de equilibrio de fuerzas

Resistivos

Magnticos

Capacitivos

Extensiomtricos

Piezoelctricos

a) Transmisores electrnicos de equilibrio de fuerza:

En este instrumento el elemento mecnico de medicin (tubo Bourdon, espiral,

fuelle, ) ejerce una fuerza sobre una barra rgida del transmisor. Para cada valor de la

presin la barra adopta una posicin determinada excitndose un transductor de

desplazamiento tal como un detector de inductancia (Figura 2.1.13 (a)), un

transformador diferencial (Figura 2.1.13(b)) o un detector fotoelctrico (Figura 2.1.13

(c)).

(a) Detector de inductancias.

(b) Transformador diferencial.


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(c) Detector fotoelctrico.

Figura 2.1.13. Transmisores electrnicos de equilibrio de fuerza.

En resumen los transmisores electrnicos de equilibrio de fuerza se caracterizan

por:

Presentan movimientos muy pequeos en la barra de equilibrio.

Poseen realimentacin.

Una muy buena elasticidad.

Nivel alto en la seal de salida

Presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado, por su constitucinmecnica.

Presentan una alta sensibilidad a vibraciones.

La estabilidad en el tiempo es de media a pobre

Su intervalo de medida corresponde al del elemento mecnico que utilizan.

Su precisin es del orden de 0.5 1 %.

b) Transductores Resistivos:

Es uno de los transmisores elctricos ms sencillos. Consiste en un elemento

elstico(tubo bourdon o cpsula) que vara la resistencia ohmica de un potencimetro en

funcin de la presin.

Existen varios tipos de potencimetros segn sea su elemento de resistencia: de

grafito, de resistencia bobinada, de pelcula mecnica y de plstico moldeado.

Los transductores resistivos son simples y sus principales caractersticas son lassiguientes:

Su seal de salida es bastante potente, sin necesidad de amplificacin.

Son insensibles a pequeos movimientos del contacto del cursor.

Son muy sensibles a vibraciones externas.

Presentan una estabilidad pobre en el tiempo.

El intervalo de medida corresponde al elemento de presin que utiliza(tubo

Bourdon, fuelle, ) y vara en general de 0 - 0.1 a 0 300 Kg/ cm2 .

La precisin es del orden del 1 2 %.


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Figura 2.1.14. Transductores resistivos.

c) Transductores Magnticos:

Se clasifican segn su principio de funcionamiento en:

c.1) Transductores de inductancia variable.

El desplazamiento de un ncleo mvil dentro de una bobina aumenta la inductancia

de sta en forma casi proporcional a la porcin metlica del ncleo contenida dentro de

la bobina. Presenta las siguientes ventajas:

En la medicin no se produce rozamiento.

Se obtiene una respuesta lineal.

Son pequeos y de construccin robusta.

No necesitan ajustes crticos en el montaje.

Su precisin es del orden del 1 - +1 %.

Posicionan el ncleo con un elemento de presin(tubo Bourdon, espiral, ).

Utilizan circuitos elctricos bobinados de puente de inductancia de corrientesalterna.

Figura 2.1.15. Transductores de inductancia variable.

c.2) Transductores de reluctancia variable.

Consiste en un imn permanente o un electroimn que crea un campo magnticodentro del cual se mueve una armadura de material magntico. El circuito se alimenta

con una fuerza magnetomotriz constante con lo cual al cambiar la posicin de la

armadura vara la reluctancia y por lo tanto el flujo magntico. Esta variacin del flujo

da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por tanto, proporcional al grado de

desplazamiento de la armadura mvil. Por ltimo este tipo de instrumentos presentan las

siguientes caractersticas:


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No existen rozamientos, por lo que se elimina la histresis mecnica tpica

de otros instrumento.

Presentan una alta sensibilidad a las vibraciones.

Presentan una estabilidad media en el tiempo

Son sensibles a las temperaturas

Su precisin es del orden del 0.5 - +0.5 %.

Posicionan la armadura mvil con un elemento de presin(tubo Bourdon,espiral, ).

Utilizan circuitos elctricos bobinados de puente de inductancias de

corrientes alternas.

d) Transductores Capacitivos:

Se basan en la variacin de capacidad que se produce en un condensador al

desplazarse una de sus placas por la aplicacin de presin. La placa mvil tiene forma

de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos

condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable, que

pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone

alimentado con corriente alterna. Este tipo de transductores se caracteriza por:

Su pequeo tamao y su construccin robusta.

Tienen un pequeo desplazamiento volumtrico.

Son adecuados para medidas estticas y dinmicas.

Su seal de salida es dbil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de

introducir errores es la medicin.

Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversa-les.

Precisan de un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puentes de corrientealterna a los que estn acoplados.

Su intervalo de medida es relativamente amplio, entre 0,05-5 a 0,5-600 Kg/cm2 , Su precisin es del orden de +/-0.2 - +/-0.5 %.

Figura 2.1.16. Transductores Capacitivos.


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e) Galgas extensiomtricas (Strain gage):

Se basan en la variacin de la longitud y de dimetro, y por lo tanto de

resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una

tensin mecnica por la accin de la presin.

Las galgas extensiomtricas presentan segn su estructura dos tipos devariaciones:

Galgas cementadas: Formadas por varios bucles de hilo muy fino que estn

pegados por una hoja base de cermica, papel, o plstico (Figura 2.1.17).

Galgas sin cementar: Las que sus hilos de resistencia descansan sobre un

armazn fijo y otro mvil bajo una ligera tensin inicial.

Figura 2.1.17. Galgas cementadas y sin cementar.

Ambos tipos de Galgas presentan la caracterstica de que la aplicacin depresin estira o comprime los hilos segn sea la disposicin que el fabricante haya

adoptado, modificando pues la resistencia de los mismos.

La galga forma parte de un puente de Wheatstone (Figura 2.1.18), y cuando esta

sin tensin tiene una resistencia elctrica determinada. Se aplica al circuito una tensin

nominal tal que la pequea corriente que circula por la resistencia crea una cada de

tensin en la misma y el puente se equilibra para estas condiciones. Cualquier variacin


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de presin que mueva el diafragma del transductor cambia la resistencia de la galga y

desequilibra el puente.

Figura 2.1.18. Circuito puente de Wheatstone

Este tipo de transductores presentan las siguientes caractersticas:

Su intervalo de medida vara entre 0-0.6 a 0-10000 Kg/cm2.

Su Precisin es del orden de +/- 0.5 %. Pueden alimentarse tanto con corriente alterna como con corriente continua.

Presenta una respuesta frecuencial excelente.

Pueden utilizarse en medidas estticas y dinmicas.

Presentan una compensacin de temperatura relativamente fcil.

Generalmente no son influidas por campos magnticos.

Tambin poseen las siguientes desventajas:

Seal de salida dbil.

Pequeo movimiento de galgas.

Alta sensibilidad a vibraciones.

Una estabilidad dudosa a lo largo del tiempo de funcionamiento.

Otro tipo de galga extensiomtrica la constituyen los transductores de presin de

silicio difundido. Consisten en un elemento de silicio situado dentro de una cmara

conteniendo silicona que esta en contacto con el proceso a travs de un diafragma

flexible. El sensor est fabricado a partir de un monocristal de silicio en cuyo seno se

difunde boro para formar varios puentes de Wheatstone constituyendo as una galga

extensiomtrica auto contenida. El espesor del sensor determina el intervalo de medida

del instrumento.

Sus ventajas ms importantes son:

El intervalo de medida vara de 0-2 a 0-600 Kg/cm2.

Su precisin se encuentra por el orden de +/- 0.2 %. Estn en contacto directo con el proceso sin mecanismos intermedios de

medicin de la presin, por lo que trabaja correctamente aunque el fluido se

deposite parcialmente sobre el diafragma del elemento ya que mide directamente

la presin del fluido y no la fuerza que ste hace sobre el diafragma.

Anexo: Puente de Wheatstone


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Las mediciones ms precisas de la resistencia se obtienen con un circuito

llamado puente de Wheatstone, en honor del fsico britnico Charles Wheatstone. Este

circuito consiste en tres resistencias conocidas y una resistencia desconocida,

conectadas entre s en forma de diamante. Se aplica una corriente continua a travs de

dos puntos opuestos del diamante y se conecta un galvanmetro a los otros dos puntos.

Cuando todas las resistencias se nivelan, las corrientes que fluyen por los dos brazos del

circuito se igualan, lo que elimina el flujo de corriente por el galvanmetro. Variando elvalor de una de las resistencias conocidas, el puente puede ajustarse a cualquier valor de

la resistencia desconocida, que se calcula a partir los valores de las otras resistencias.

f) Transductores Piezoelctricos:

Son materiales cristalinos que, al deformarse fsicamente por la accin de una

presin, generan una seal elctrica. Los materiales tpicos en la construccin de los

transductores piezoelctricos son el cuarzo y el titanato de bario, capaces de soportar

temperaturas del orden de 150o C en servicio continuo y de 230C en servicio

intermitente. Sus principales caractersticas son las siguientes:

Son elementos ligeros, de pequeo tamao y de construccin robusta. Su seal de respuesta es lineal a una variacin de presin.

Son adecuados para medidas dinmicas, al ser capaces de respuestas

frecuenciales de hasta 1 milln de ciclos por segundo.

Su precisin vara en el orden de +/- 1 %.

El intervalo de medida vara entre 0.1-600 Kg/cm2.

Poseen las siguientes desventajas:

Son sensibles a los cambios de temperaturas.

Precisan de ajustes de impedancia en caso de fuerte choque.

Su seal de salida es relativamente dbil por lo que precisa de amplificadores y

acondicionadores de seal que podran introducir errores en la medicin.

Figura 2.1.19. Transductores piezoelctricos.

La tabla 2.1.3, muestra las caractersticas de los elementos electromecnicos

descritos.


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Instrumento Margen en bar

Precisinen % detoda la

escala

Estabilidaden el tiempo

Sobre-carga

Temperaturamxima deservicio C

Nivel sealde salida

Impedan-cia Salida

(KiloOhms

Equilibrio de Fuerzas 2,0 - 6000 0,5 Media a mala 150% 65 10 V 0,6

Resistivos 0-0,1 a 0-300 1 Mala 150% 80 Variac. Res. 0-Res.Tota

Inductancia variable 0-0,1 a 0-300 0,5 Media 150% 80 0 - 5 V 2

Magnticos

reluctancia variable 0-0,1 a 0-300 1 Media 150% 80 0 - 5 V 2

Capacitivos 0,05-5 a 0,05-600 1 Media a buena 150% 150 0 - 5 V 5

Cementadas 0-0,5 a 0-3000 0,5 Mala 150% 120 35 mV 0,35

Sin cementar 0-0,01 a 0-600 1 Mala 200% 120 35 mV 0,35

Galgasextens

i.

Silicio Difundido 0-2 a 0-600 0,3 Muy buena 200% 107 2 - 10 V 0,6

Piezoelctricos 0,1 - 600 1 Mala 200% 90 600 mV/bar 1000K

Tabla 2.1.3. Transductores electromecnicos.


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2.1.4. ELEMENTOS ELECTRNICOS DE VACO.

Los instrumentos electrnicos de vaco, tienen su fundamento en las variaciones dedeterminadas propiedades fsicas de los gases producidas por los cambios de presin. Se

emplean para la medida de alto vaco, se caracterizan por ser son muy sensibles.

Se clasifican de la siguiente manera:

Presin Hidrosttica

Conductividad Trmica

Transductor de Ionizacin

2.1.4.1. Presin Hidrosttica.

Se basan en la presin real ejercida por el gas. Son de este tipo los mecnicos o de

cpsula y de McLeod.

a) Mecnicos o de Cpsulas:

Suelen tener el mismo fundamento que los barmetros empleados para medirpresin atmosfrica. Ejemplo de estos son el fuelle y el diafragma. Constan esencialmente

de una cpsula, en la que se ha hecho el vaco, encerrada en un recipiente que se pone a la

presin que se desea medir. Las deformaciones de la cpsula debidas a cambios de presinson amplificadas mediante un dispositivo mecnico que las transmite a una aguja que se

desplaza sobre una escala graduada.

Otros tienen un tubito de paredes muy delgadas arrollado en espiral; un extremo estcerrado y en l lleva un indicador de posicin para medir desplazamientos o giros; el otro

extremo est abierto y se pone en comunicacin con el gas cuya presin se quiere medir. La

medida se efecta por comparacin con una presin conocida ejercida por un gasintroducido en el recinto en que va alojada la espiral. Estos instrumentos miden presiones

totales de gas y vapores, y su zona de medida va desde 760 a 1 Torr. Pueden llevar

acoplados tranductores elctricos del tipo de galga extensiomtrica o capacitivos.

b) McLeod:

Se utiliza como aparato de precisin en la calibracin de los restantes instrumentos,

esto se debe a que da medidas absolutas de la presin, pues slo mide la parcial de losgases no condensables. Se basa en comprimir una muestra del gas de gran volumen

conocido a un volumen ms pequeo y a mayor presin mediante una columna de mercurioen un tubo capilar.

Se puede ver el funcionamiento de este aparato (Figura 2.1.20). Una vez conectadoal recipiente que contiene el gas cuya presin se desea medir, se hace ascender el mercurio


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llevando el depsito D, en la figura 2.1.20 (a), o bien ponindolo en comunicacin con la

atmsfera mediante la llave doble L, en la figura 2.1.20 (b). Cuando el mercurio llega al

punto T asla la ampolla A del resto de la instalacin y el volumen V de gas en ellaencerrado, que estaba a la presin P que quiere medir, se va comprimiendo dentro del

capilar C.

Cuando el mercurio llega dentro del capilar C (que es exactamente de la misma

seccin que el C) a la altura del extremo superior del capilar C, se deja quieto el depsito D

o se cierra la llave L, segn sea el caso.

Para bajar el mercurio, una vez realizada la medida, bastar bajar el depsito en el

modelo de la figura 2.1.20 (a), o ponerlo en comunicacin con la rotatoria mediante la llave

L, en el modelo de la figura 2.1.20 (b).

Ahora bien, cuando se desee una zona de medida amplia podrn asociarse dos o ms

McLeod en la forma indicada en la Figura 2.1.20 (c).

Su zona de medicin es de 10 a 10-6 Torr.

(a) con deposito (b) con llave doble (c)dobleFigura 2.1.20. Transductores de McLeod.

2.1.4.2 Conductividad Trmica.

Se basan en el principio de la proporcionalidad entre la energa disipada desde lasuperficie caliente de un filamento calentado por una corriente constante y la presin del

gas ambiente cuando el gas est a bajas presiones absolutas.

A presin normal, la conductividad trmica es independiente de la presin; en

cambio, a presiones bajas, donde las distancias entre las superficies calientes y fras son


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menores que el camino libre medio de las molculas del gas, la conductividad depende

fuertemente de la presin.

A medida que la presin disminuye, tambin lo hace la cantidad de calor transmitida

a las molculas gaseosas, mientras que las prdidas por radiacin permanecen casi

constantes. Cuando la presin es del orden de 3 * 10-5 Torr, las prdidas por transferenciason slo el 1 % de las de radiacin. Ejemplos de ellos son el termopar, el transductor de

Pirani y el bimetlico.

a) Termopar:

Este transductor trmico contiene un filamento en V que lleva incorporado un

pequeo termopar (Figura 2.1.21). La f.e.m del termopar indica la temperatura delfilamento y, por lo tanto, seala el vaco del ambiente. La corriente de calefaccin puede

ser continua o alterna, aunque, en general, es preferible la continua; adems a pesar de que

a primera vista parece ser distinta la polaridad de la misma, se comprueba que dichapolaridad influye en la sensibilidad del instrumento. La seal de salida diferencial de los

dos termopares es proporcional a la presin.

Sus principales ventajas son:

Sencillez y manejabilidad.

No es frgil

Bajo costo

De larga duracin y confiabilidad, ya que da lecturas continuas de la presin

Puede leerse a distancia

No le perjudica el ser sometido a la presin atmosfrica, salvo el de combustin sise expone cuando el filamento est caliente

Mide presiones totales Por ltimo, puede emplearse como sistema de control automtico.

Desventajas:

Su escala no es lineal.

Debe calibrarse para cada gas (Sensible a la composicin del gas)

Su intervalo de medida es de 0,5 a 10-8 mm. de mercurio.


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Figura 2.1.21. Termopar.

b) Transductor de Pirani:

Se basa en el principio de que la conductividad trmica de un gas a bajas presiones

decrece linealmente con la presin. Se emplean dos mtodos para medir estas variacionesde conductividad trmica:

Mantener la corriente de calefaccin del filamento constante y medir las variaciones dela resistencia al variar la presin.

Mantener la temperatura y, por consiguiente, la resistencia constante y medir loscambios en la tensin aplicada al variar la presin.

En el primer caso, (Figura 2.1.22) se utiliza un puente de Wheatstone para medir loscambios de resistencia de dos filamentos de tungsteno, uno sellado en alto vaco en un tubo

y el otro en contacto con el gas medido y que por lo tanto pierde calor por conduccin. Para

aumentar la sensibilidad del instrumento M, la resistencia compensadora C, que se colocaen el brazo opuesto del puente, es exactamente una rplica de la del filamento y se monta

dentro de una ampolla en la que se ha hecho un vaco elevado y se ha cerrado

posteriormente. Los dos tubos se montan juntos, de forma que estn inmersos en la mismatemperatura ambiente.

Los otros dos brazos del puente estn formados por una resistencia fija y otra

variable para equilibrarlo cuando el manmetro est en un grado de vaco ms elevado queel mayor que deber medir luego. La corriente de desequilibrio del puente se toma como

ndice de la presin.


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Figura 2.1.22. Transductor de Pirani con calefaccin constante.

En el segundo caso, (Figura 2.1.23) se mide la tensin que debe aplicarse para

mantener la resistencia (y, por consiguiente, la temperatura) constante del filamentocaliente. Con un potencimetro se vara la tensin aplicada y con un voltmetro se miden

las variaciones de misma. Este mtodo se emplea cuando se trata de medir presiones

superiores al micrn. Su intervalo de medida es de 1 a 10-8 Torr.

Figura 2.1.23. Transductor de Pirani con resistencia y temperatura constante.

Ventajas:

Es compacto.

Sencillo de funcionamiento, pudiendo estar a temperatura atmosfrica sin peligro decombustin.


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Desventaja:

Su calibracin depende de la composicin del gas medido.

c) Bimetlico:

Utiliza una espiral bimetlica calentada por una fuente de tensin estabilizada.Cualquier cambio en la presin produce una deflexin de la espiral, que a su vez se acopla aun ndice que seala en la escala el vaco. Su intervalo de medida es de 1 10

-3mm Hg.

Figura 2.1.24. Transductor bimetlico.

2.1.4.3 Transductores de Ionizacin.

Se basan en la formacin de los iones que se producen en las colisiones que existen

entre molculas y electrones (o bien partculas alfa "a " en el tipo de radiacin). La

velocidad de formacin de estos iones, es decir, la corriente inica, vara directamente conla presin. Es as como, estos instrumentos miden la corriente de ionizacin que es

proporcional a la concentracin molecular, por lo tanto, se entiende que habr que

calibrarlos para cada gas. Ms exactamente se puede decir que estos instrumentos miden laconcentracin molecular en la regin electrdica en vez de medir directamente la presin,

ya que la probabilidad de que una molcula sea ionizada por choque con una partculacargada es casi independiente de su velocidad trmica.

La diferencia entre los distintos tipos de transductores de ionizacin estriba en la

forma de producir y detectar los iones positivos. Los ms importantes son:

Figura 2.1.25. Manmetro de Ionizacin


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a) Filamento Caliente o Ctodo Caliente:

Consiste en un tubo electrnico con un filamento de tungsteno rodeado por una

rejilla en forma de bobina, la cual a su vez est envuelta por una placa colectora. Los

electrones emitidos por el filamento caliente se aceleran hacia la rejilla positiva, pasan atravs de ella y, en su camino hacia la placa colectora de carga negativa, algunos colisionan

con molculas del gas (Figura 2.1.26). La corriente positiva formada es una funcin del

nmero de iones y, por lo tanto, constituye una medida de la presin del gas. El filamentopuede quemarse si se somete a presiones superiores a 1 * 10-3 Torr absolutos.

Ventajas:

Son muy sensibles y delicados.

Son capaces de medir vacos extremadamente altos.

Desventajas:

Son sensibles a la composicin del gas, de tal modo que en ocasiones el filamentocaliente provoca cambios significativos en su composicin entre el volumen medidoy el contenido dentro del tubo electrnico. Su rango de medida es de 10-3 a 10-11

Torr.

Figura 2.1.26. Filamento caliente o ctodo caliente.

b) Transductor de Ctodo Fro:

Se basa en el principio de la medida de una corriente inica producida por unadescarga de alta tensin. Los electrones desprendidos del ctodo toman un movimiento en

espiral al irse moviendo a travs de un campo magntico en su camino hacia el nodo. El

movimiento en espiral da lugar a que el camino libre medio entre electrones sea mayor que

la distancia entre electrodos. Por consiguiente, aumenta la posibilidad de colisiones con las

molculas del gas presente lo que da lugar a una mayor corriente inica y de este modo ladescarga catdica se mantiene a una presin ms baja, o sea a un vaco ms alto. Su rango

de medida es de 10-2 a 10-7 Torr con una escala logartmica (Figura 2.1.27).

Ventajas:

Es ms robusto que el de filamento caliente.

No presenta el problema de la combustin del filamento.


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Desventajas:

Este instrumento no puede vaciarse de gases tan rpidamente como el de filamentocaliente.

Es susceptible de contaminacin por el mercurio.

Puede provocar la descomposicin qumica de vapores orgnicos a altas tensiones.

Figura 2.1.27. Transductor de ctodo fro.

La tabla 2.1.4, muestra las caractersticas de los elementos electrnicos de vacodescritos.

Instrumento Margen(torrs)

Escala Precisin

Mecnicos 760 - 5 Lineal 1%

McLeod 5 10-5

Lineal 1-10% lectura

Termopar 0,5 - 10-3

Logartmica Alta

Pirani 2 - 10-3 Logartmica X

Trmicos

Bimetal 1 - 10-3

Logartmica X

Filamentocaliente

10-3

- 10-13

Logartmica X

Ionizacin

Ctodo Fro 10-2

- 10-7

Logartmica X

Tabla 2.1.4. Transductores electrnicos de vaco.

2.1.5. SENSORES DE PRESIN DIFERENCIAL.

2.1.5.1. Celdas D/P

La figura 2.1.28 muestra 2 tipos de celdas D/P, en (a) se tiene un sensor con

diafragma extendido, mientras que en (b) uno de diafragma plano. En la figura 2.1.29 se

muestra en corte una celda D/P que funciona por equilibrio de fuerza.


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(a) (b)

Figura 2.1.28. Celdas D/P.

Figura 2.1.29. Celda D/P con equilibrio de fuerzas.


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2.1.6. BIBLIOGRAFA.

[1]. Creus Sol Antonio; Instrumentacin Industrial, 6 edicin; Marcombo S.A.; 1997.[2]. Creus Sol Antonio; Instrumentos Industriales. Su ajuste y calibracin; 2 edicin;

Marcombo S.A.

[3].http://www.geocites.com/CollegePark/Pool/1549/instru1/d01.html

[4].http://ishtor.df.unibo.it/mflu/html/indice.html
http://www.geocites.com/CollegePark/Pool/1549/instru1/d01.htmlhttp://www.geocites.com/CollegePark/Pool/1549/instru1/d01.htmlhttp://ishtor.df.unibo.it/mflu/html/indice.htmlhttp://ishtor.df.unibo.it/mflu/html/indice.htmlhttp://ishtor.df.unibo.it/mflu/html/indice.htmlhttp://www.geocites.com/CollegePark/Pool/1549/instru1/d01.html

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