Henri Pitot

[1695-1771]

Fue un físico e ingeniero hidráulico francés.

Henri Pitot

Fue militar y estudió matemáticas en forma autodidacta.

En 1723 fue nombrado asistente del famoso físico Réaumur, y en 1724 ingresó a la Academia Real de Ciencias francesa. Inventó el tubo que lleva su nombre, que permite calcular la velocidad de un caudal, anunciándolo como instrumento de medida de la velocidad de un flujo, algo que demostró al medir la velocidad del Río Sena que atraviesa la ciudad de Paris. Instalando su instrumento en un velero con el que surcó dicho río, también demostró su utilidad para medir la velocidad de un navío.

Se le nombró ingeniero jefe de los estados del Languedoc, construyendo el acueducto de Saint-Climent, Francia. También acometió la desecación de pantanos, la construcción de puentes y saneamientos en las ciudades del Languedoc.

Henri Pitot

(1695-1771), físico e ingeniero naval francés que participó en la construcción del canal del Midi en ese país y desarrolló un dispositivo para medir velocidades en los fluidos.

Nacido en Aramon, en la región francesa del Gard, ingresó en la Academia de Ciencias en 1724. Como ingeniero jefe de los estados del Languedoc (1740), participó en la construcción de un gran número de obras públicas, como el acueducto de Saint-Clément en Montpellier. También fue director del canal del Midi, conocido en aquella época como canal del Languedoc. Sus investigaciones sobre las bombas y el rendimiento de las máquinas hidráulicas supusieron grandes aportaciones a la termodinámica y la hidrodinámica. Pitot publicó también varias memorias sobre geometría. En 1871 el gobierno francés adoptó su teoría sobre la maniobra de los navíos.

Pitot puso a punto una sonda que, dirigida en el sentido del flujo, permite medir la presión estática en un fluido. El dispositivo está perforado con pequeños orificios laterales suficientemente alejados del punto de parada (punto del flujo donde se anula la velocidad) para que las líneas de corriente sean paralelas a la pared. Esta sonda, combinada con una sonda de presión de impacto (perpendicular a la dirección de flujo), forma una sonda de presión cinética llamada tubo de Pitot. Este dispositivo se emplea a menudo en aeronáutica: situado en un lugar de poca turbulencia, permite medir la velocidad de avance de un avión con respecto al aire.

Fundamentos hidráulicos del tubo de Pitot

Líquido en reposo

Si en un conducto conteniendo agua a presión en reposo practicamos un par de agujeros A y B, con la abertura B conectada a un tubo curvado a 90º como indica la Figura 1a, notaremos la formación de sendas surgentes que alcanzan la misma altura (no importa la forma de las aberturas: Principio de Pascal), tanto más grande cuanto mayor es la presión del agua. Si insertamos sendos tubos verticales en las aberturas A y B como muestra la Figura 1b, el agua se acumula en dichos tubos hasta la altura que alcanzaban las surgentes, de tal manera que el peso de la columna por unidad de área de su base equilibra la presión del agua que puja por salir, y así actúa como un tapón que interrumpe dichas surgentes. De esta manera, la altura alcanzada por el agua sobre los tubos verticales provee una medida de la presión estática del líquido respecto de la atmosférica (presión manométrica).

Figura 1. Líquido en reposo

Liquido en movimiento

Si ahora el agua en el conducto se mueve de izquierda a derecha con una velocidad como muestran las Figuras el resultado de nuestro experimento es diferente: la altura de la surgente , que continúa indicando la presión estática, es superada por la altura de la surgente B donde el impulso del agua en movimiento entrando en el tubo curvado contra la corriente agrega una contribución dinámica a la presión de salida del agua.

Figura 2. Líquido en movimiento

No es difícil probar que la altura adicional del agua en el tubo B por encima del A es la misma que la alcanzada por un cuerpo lanzado hacia arriba con la velocidad <math>V</math> del líquido, esto es:

Ecuación (1)

donde es la aceleración de la gravedad terrestre . Así, disponemos de un método muy simple para medir la velocidad de un líquido en un conducto a partir de la medida de la diferencia de alturas que alcanza el líquido en un par de tubos insertados en dicho conducto! Le voilà!, ésto es justamente lo que se le ocurrió a Monsieur Pitot en 1732.

El tubo original de Pitot presenta tres inconvenientes para su aplicación práctica:

1) Requiere de dos medidas, una la presión estática del fluido, la otra la presión total (estática + dinámica), para de allí derivar la presión dinámica por diferencia.

2) Emplea como líquido manométrico el agua, que por su bajo peso específico requiere longitudes de tubos excesivos para medir las presiones usualmente encontradas en la práctica (Pitot usó en sus experimentos tubos de alrededor de 1.80 m de largo!).

3) Se aplica solamente a líquidos: en la época de Pitot aún no se contemplaban aplicaciones a la medición de corrientes de gases en general y de aire, en particular (aerodinámica).

Estos inconvenientes fueron superados por el físico alemán Ludwig Prandtl (1875–1953), mediante el diseño del tubo que lleva su nombre. El tubo de Prandtl combina en un mismo instrumento ambas medidas de presión. Estas medidas son comparadas en el tubo empleando un líquido manométrico como el mercurio que posee un peso específico 13,6 veces mayor que el del agua, lo que reduce sensiblemente las dimensiones del instrumento. Un esquema del tubo se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Esquema de un tubo de Prandtl. El desnivel h entre las ramas del líquido manométrico (en gris) indica la presión dinámica.

Figura 4. Tubo de Prandtl.

Versión moderna del tubo de Pitot-Prandtl

A pesar que la simple Ecuación (2) para la velocidad de la corriente se derivó tomando en cuenta un líquido (incompresible), la expresión sigue valiendo también para un gas (compresible), cuando se trata de medir velocidades pequeñas respecto a la velocidad del sonido en dicho gas (en la práctica, valores de de hasta un 30% de la velocidad del sonido, esto es, alrededor de 350 Kph en el caso del aire). Para velocidades mayores, la ecuación debe ser corregida. Actualmente, ya no se usa mercurio ni se recurre a la gravedad terrestre para determinar la diferencia de presión: la misma se obtiene mediante un manómetro diferencial (transductor de presión) donde se mide eléctricamente la deformación de un diafragma que separa sendos recintos del instrumento, uno de ellos con la presión total, el otro con la presión estática. La Figura muestra el esquema de un tubo de Pitot-Prandtl moderno.

Figura . Esquema de un tubo de Pitot-Prandtl moderno.

Figura . Uso del tubo de Pitot en una aeronave.

Además de las señaladas, el tubo de Pitot-Prandtl tiene diversas aplicaciones, entre ellas en Meteorología para la medida de la velocidad del viento y hasta en autos de carrera

Figura Anemómetro basado en el tubo de Pitot.

Figura Tubo de Pitot en una Ferrari de F1.

TUBO PITOT

Fue inventado en 1700s y modificado a una forma más moderna en 1800s por el científico francés Henrio Darcy.El Tubo de Pitot es usado para medir la velocidad o presión de agua y/o de aire. Consiste en un pequeño tubo en forma de "L", con un hueco en la parte delantera y mas atrás unos más pequeños alrededor. Es un instrumento sumamente inteligente ya que hay un tuvo mas pequeño adentro del que vemos.

Si se quiere medir la velocidad del agua en un río se introduce este instrumento en la dirección de la corriente del agua y por la presión de dicha corriente, e agua se empezará a elevar hasta una cierta altura sobre la superficie, conociend esta altura ya se puede saber la velocidad de la corriente empleando el teorema de Torricelli o simplemente esta es mostrada en algun indicador de velocidad.

Utilizó el río Sena para probar algunas de sus teorias y en este caso para demostrar que el tubo Pitot en realidad funcionaba; instalando su instrumento en un pequeño velero.

Cómo medir utilizando un tubo de Pitot

Los tubos Pitot se utilizan comúnmente para determinar la velocidad del aire. Son instrumentos relativamente simples hechos de dos tubos. Uno mide la presión total y el otro la presión estática. La diferencia entre estos dos tipos de presión se denomina presión de velocidad. Los medidores diseñados para mostrar lecturas del tubo Pitot a menudo incluyen características avanzadas que les permiten visualizar la velocidad del aire directamente. Algunos modelos de tubo de Pitot tienen dos tubos separados, y algunos tienen el tubo de presión estática situada en el interior del tubo de presión total. Los técnicos en la industria de aire acondicionado, en centrales eléctricas y en plantas de proceso rutinariamente miden el flujo de aire en los conductos con la ayuda de tubos de Pitot.

Nivel de dificultad:Moderada

InstruccionesNecesitarás

Tubo de Pitot con dos tubos de bridas de montaje Transmisor de presión diferencial

Taladro

1Localiza un punto en el conducto para tomar tus medidas. Debe ser 8,5 o más diámetros de cualquier obstrucción de aire, tales como una curva en el conducto, un ventilador o un cambio en el tamaño del conducto. Si el conducto es rectangular, una elección conservadora es tomar la dimensión más grande como su diámetro.

2Perfora agujeros en el conducto para el tubo de dos bridas de montaje. Estas pestañas están diseñadas para sujetar de forma segura el tubo de medición a la pared de la canalización con una perturbación mínima del flujo de aire.

3Instala el montaje de tubos de la brida de presión total arriba de la los tubos de presión estática. Se puede reconocer el total del tubo por su extremo, está cortado en un ángulo. Asegúrate de que el tubo esté alineado en la dirección correcta para tomar el flujo del aire.

4Conecta el tubo total a la "alta presión" del puerto en el transmisor de presión diferencial. Esto generalmente con la etiqueta "P +".

5Conecta el tubo estático a la "baja presión" del puerto, que normalmente se etiqueta "P-"

6Registra la presión de la velocidad que se muestra en el transmisor de la presión diferencial.

1 PRINCIPIO HIDRAULICO

El tubo Pitot es un instrumento destinado a la medición del caudal a través de la cuantificación de la velocidad del flujo utilizando la ecuación de continuidad que se muestra a continuación;

Q = A x V

donde:

Q= es el gasto del flujo

A= es el área transversal

V= es la velocidad del flujo

En consecuencia, es un medidor indirecto de caudal, y puede utilizarse tanto en conductos libres como a presión.

En su extremo inferior, el tubo Pitot cuenta con dos pequeños orificios en forma de gancho que están orientados a 180 grados uno del otro, los cuales se colocan uno a favor del flujo y el otro en contra de él. Estos pequeños orificios cumplen la función de medir por un lado la carga de velocidad sumada a la carga de presión y por otro solamente la carga de presión del flujo en el tubo respectivamente, como se muestra en la sigui ente figura;

Después el tubo Pitot esta conectado en suparte superior a un manómetro diferencial, el cual nos arroja directamente la lectura dela carga de velocidad, hv

= V/2g

Donde:

H= Carga de velocidadV= Veloci dad del fluido v

G= Constante de gravedad 2

Dentro del manómetro diferencial seintroduce un líquido manométrico que ayuda a visualizar las lecturascorrespondientes; también el manómetro se puede conectar a un registrador delecturas continua o a un data logger, como se verá después.

2.2.- COMPONENTES DEL TUBO PITOT

En particular el tubo Pitot Simplex consta principalmente de los elementos que se señalarán en la siguiente figura;

a.- Cruceta de válvulas

Pieza metálica fundida acoplada ala varilla del Pitot, cuenta con dos salidas para la instalación de las mangueras y válvulas para la purga de aire.

Es importante la constante verifi cación y limpieza de la cruceta de válvulas

b.- Válvulas de purga de aireUtilizadas para purgar el aire del tubo Pitot c.- Válvulas de conexión para lasmangueras Su función es aislar hidráulicamente el tuboPitot de las mangueras d.- Guía de mediciónEs una pieza movible a lo largo de lavarilla, con la función de indicar la posiciónde las tomas de presión diferencial en el interior de la tuberíae.- Dispositivo fijador de la varilla (Anillofijador) Dispositivo usado para fijar la varilla deltubo Pitot en una determinada posición, no permitiendo que ella se mueva en ladirección vertical f.- Soporte de la escala graduada paratraversa Pieza destinada a fijar la regla graduadaque se utiliza para levantar el perfil de velocidades

g.- Orificios de toma de presión diferencial Son orificios localizados en el extremoinferior del tubo Pitot Simplex, cuya funciónes generar el diferencial de presiónh.- Tapón protector de orificios Pieza acoplada al extremo de la varilla,destinada a proteger los orificios calibradosi.- Varilla

Perfil externo de formato aerodinámico,que recubre a los tubos transmisores de presión diferencialj.- Tuerca de conexión o tuerca hexagonal Es la pieza que permite acoplar el tuboPitot a la válvula de inserción.

A continuación se presentará un esquema a detalle de las partes superior e inferior deltubo pitot.

Debemos verificar larosca y válvulas del tubo pitot

2.3.- ACCESORIOS

Para la exitosa medición del c audal en un conducto a presión, es necesario contar con algunos aditamentos, los cuales son necesarios tanto para la simple instalación del tubo Pitot, como para la correcta lectura del instrumento. Los accesorios con los cuales debe de contar el tubo Pitot son:

• Manómetro diferencial

• Máquina de inserción

• Líquidos manométricos

• Válvula de acoplamiento

• Mangueras

a) MANÓMETRO DIFERENCIAL

Un elemento importante dentro de la medición con tubo Pitot es el manómetro diferencial, el cual nos permite determinar una diferencia de cargas en una tubería. El cual no es más que un piezómetro doblado en forma de “U”. Generalmente es fabricado de vidrio resistente a altas presiones (aproximadamente 29 Kg/cm). Cabe mencionar que el tubo en "U” utilizado como manómetro diferencial es sólo una de las formas de registrar la diferencia de cargas en el tubo Pitot, otros dispositivos con los cuales se puede registrar esta diferencia de cargas son los registradores de reloj y los data logger. En esta parte se describirá solamente el tubo en "U" para conocer sus principios de operación.

Fig. Sedebe tener cuidado en lalimpieza del

tubo en "U".Es un tubo de vidrio, con un diámetro

interno de 3.5mm y externo de 6.2mm, en

la extremidad superior. El diámetro interno

de la parte útil (la que contiene el líquido

manométrico), debe ser aproximadamente

de 7mm, mientras que su longitud debe ser

de 600mm o más.

Fig.Verificar quelas conexionesestén bien hechas

Los tramos del tubo en “U” deben fijarse a través de una abrazadera especial para evitar que se quiebren en algún momento, al aplicarse un esfuerzo de apertura en los mismos. Aquí es posible la utilización de mangueras como tubo "U" en lugar del vidrio, sólo éstas deben ser transparentes, resistentes a la corrosi ón ocasi onada por el líquido manométrico utilizado y que soporten la presión a las que son sometidas. Una de las ventajas que nos arroja la utilización del tubo en “U” como manómetro diferencial, es que solamente cambiándole el líquido manométrico pueden soportar y medir presiones más altas.

b) MANGUERAS

Las mangueras usadas en pitometría, deberán fabricarse con material de buena calidad, ya que deben resistir las condiciones atmosféricas y el contacto del agua sin dañarse.

Fig. Generalmente seutilizan mangueras que resistan por lo menos 1.5 veces lapresión máxima de trabajoexistente en el sistema que seesta analizando.

LÍQUIDOS MANOMÉTRICOS

Los líquidos manométricos son sustancias químicas usadas en pitometría para transformar las cargas piezométricas y de velocidades generado por las tomas pitométricas en deflexiones, que pueden ser medida con una regla.

Fig. Es recomendableusar unembudo para elllenado del tubo"U

Generalmente se usan líquidos manométricos más pesados que el agua, para evitar la formación de columnas demasiado elevadas en cada uno de los tramos del tubo en “U”, lo que dificultaría la

lectura de las deflexiones producidas. Ahora bien, que definimos como deflexión?; A la medida de la diferencia entre laslongitudes de las columnas del líquido manométrico en un mismo tubo " U", como se muestra a continuación.

Fig.Deberemos tener cuidado con la regla que se utilice para medir la deflexión.

En pitometría se utilizan las siguientes sustanci as químicas como líquidos manométricos.

Tetracloruro de carbono CCl4dTetrabromoetano C2h2br4dBromoformo CHBr3dMercurio vivo Hgd

Además de estas sustancias, se usa la bencina, la que se mezcla con tetracloruro de carbono, a fin de obtener líquidos manométricos con densidades menores e intermedias.

En caso se desee usar otras sustancias químicas es necesario, se verifique si son miscibles con el agua, ya que no debe haber mezcla del líquido manométrico con el agua. Estas mezclas pueden

hacerse en el mismo taller de pitometría, utilizando probetas y vasos de p recipitación graduados. A continuación se indican algunas observaciones complementarias.

• Dado que las densidades que nos arroguen los líquidos manométricos en el laboratorio no serán las mismas que las que nos den en campo será necesari o efectuar la correcci ón de la densidad nominal para transformarla en real, aplicándole un factor de corrección de densidad.

• Se debe evitar en lo posible, el uso de líquidos con densidad de 1.11, debido a su fácil adherencia a las paredes del tubo “U” y la consecuente destrucción o deformación de los meniscos, lo quepuede conducir a errores significativos al medir la carga de velocidad.

• Los líquidos manométricos pueden ser reutilizados. Luego de cada uso, se hace la filtración con un papel filtro, eliminándose así el agua y posibles impurezas. Nótese que los líquidos manométri cos sucios o excesivamente viejos son causa frecuente de adherencias de los mismos a las paredes de un tubo “U” y consecuente entorpecimiento de las lecturas de deflexiones.

c) VÁLVULA DE INSERCIÓN

El componente que se usa en pitometría para acoplar el tubo Pitot y la varilla de calibración a la tubería principal es una válvula macho con diámetro interno de 25.4 mm o 1". Esta válvula se denomina "válvula de inserci ón o válvula de derivación" o simplemente TAP. Se fabrica con aleación de bronce. Generalmente es la aleación No. C83600, de acuerdo con la norma ASTM B62 o ASTM B584. Las válvulas de incorporación tienen la extremidad inferior roscada para conectarla a la tubería principal. Esta rosca puedetener las especificaciones de la norma AWWA C-800 o ISO R-7. La extremidad superior de la válvula de incorporación está compuesta por una rosca interna y otra externa. La segunda debe coincidir con la rosca interna de la tuerca de acople del tubo Pitot.

La Válvula de inserción, hay que tener cuidado con su inserción en conductos con presiones muy altas.En determinados países los tubos Pitot se fabrican con roscas distintas a las mencionadas anteriormente. En estos casos, la rosca externa superior de la válvula de incorporación será la misma que la especificada para el tubo Pitot.

Fig. 2.11 Detalle de válvula de inserción que en la mayoría de los casos, esta rosca tiene las especificaciones de la norma ANSI B2.

d) MÁQUINA DE INSERCIÓN

Una parte importante dentro de la medición con tubo Pitot es la instalación de la válvula de inserción, para este proceso es necesari o de una máqui na especi al, conocida comercialmente como máquina Muller.

Fig. 2.12 La Máquina Muller se divide en doscámaras para su adecuado manejo e instalación

Su función primordial es la de perforar, hacer rosca e instalar la válvula de incorporación a la tubería, y en caso de que sea necesario permite la extracción de la válvula y enroscar un tapón para cerrar el orificio.

Fig. 2.13 Cabe mencionar que latubería no necesariamente tiene queestar fuera de uso o parada para lainserción de la válvula, ya que lamáquina Muller nos permite lainstalación aún sin detener el flujo.

Básicamente, la máquina Muller está compuesta por:

• Un cuerpo metálico dividido en dos cámaras (superior e inferior); Un dispositivo de avance compuesto por una cruceta de avance y un arco en cuyo extremo superior posee un anillo de empuje;

• Una tapa que tiene acoplado un guante de avance con rosca externa por donde se mueve la cruceta de avance;