UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAFACULTAD DE
INGENIERADEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA Y AMBIENTALCONTROL DE
PROCESOS07 DE ABRIL DEL 2014
TRABAJO 1: SENSORES Y TRANSMISORES DE PRESIN
Docente: Johan Daro Blanco Oliveros
Nombres: Jesica Andrea Carrillo Medrano 245487 Omar Augusto
Vargas Nomesque 245313
INTRODUCCIN:El presente trabajo pretende describir los
principales tipos de sensores y transmisores de la variable presin,
sus principios de funcionamiento, usos y precisin.La instrumentacin
es el conjunto de ciencias y tecnologas mediante las cuales se
miden cantidades fsicas o qumica con el objeto de obtener
informacin para su archivo, evaluacin o actuacin sobre los sistemas
de control automtico (CubaEduca portal educativo cubano, 2009).Con
los sensores y transmisores, que son los componentes bsicos de un
sistema de control, se realizan las operaciones de medicin. En el
sensor se produce un fenmeno mecnico, elctrico o similar, el cual
se relaciona con la variable de proceso que se mide; el transmisor,
a su vez, convierte este fenmeno en una seal que se puede
transmitir, y por lo tanto, sta tiene relacin con la variable del
proceso (Smith & Corripio, 1991).CONCEPTOS IMPORTANTES: Presin:
Se define como una fuerza normal ejercida por un fluido por unidad
de rea. Se habla de presin slo cuando se habla de un gas o un
lquido. Puesto que la presin se define como fuerza por unidad de
rea tiene la unidad de . La presin real que se encuentra en una
posicin dada se llama presin absoluta, y se mide en relacin con el
vaco absoluto, (es decir, presin cero absoluta). La mayora de los
instrumentos para medir la presin se calibran para que den una
lectura de cero en atmosfera, de modo que indican la diferencia
entre la presin absoluta y la presin atmosfrica loca. Esta
diferencia se llama presin manomtrica. Las presiones por debajo de
la atmosfera se conocen como presiones de vaco y se miden con
instrumentos de vacio, que indican la diferencia entre la presin
atmosfrica y la absoluta. Las presiones absoluta, manomtrica y de
vacio son todas cantidades positivas y estn interrelacionadas por:
y (Cengel & Cimbala, 2006). Cabeza de presin: Es la presin
esttica que se ejerce la columna de un fluido de altura h por
encima del punto en el cual la presin est siendo descrita. (Cengel
& Cimbala, 2006). Sensor: Elemento primario que se encarga de
captar la magnitud fsica o qumica directamente del proceso.
Transductor: Elemento o dispositivo el cual recibe informacin en
una forma de energa y la convierte en una informacin de la misma o
en otra forma de energa. Transmisor: Es un transductor el cual
responde a una variable medida por un elemento sensor y convierte
sta en una seal de transmisin estndar la que es funcin slo de la
variable medida; ste es de dos tipos: elctrico o neumtico
(CubaEduca portal educativo cubano, 2009).Existen tres trminos
importantes que se relacionan con la combinacin sensor/transmisor:
Escala: La definen los valores superiores o inferiores de la
variable a medir del proceso; Esto es si se considera que un
sensor/transmisor se calibra para medir la presin entra 20 y 50
psig de un proceso, se dice que la escala de la combinacin
sensor/transmisor es 20-50 psig. Rango: Es la diferencia entre el
valor superior y el inferior de la escala, para el instrumento
citado aqu el rango es de 30 psig. Cero del instrumento: Es el
valor inferior de la escala, y no necesariamente tiene que ser cero
para llamarlo as, en el ejemplo dado el cero del instrumento es 20
psig (Smith & Corripio, 1991).SENSORES DE PRESIN:Los
dispositivos de medicin de presin en el proceso puede dividirse en
tres grupos: (1) los que se basan en la medicin de la altura de una
columna de lquido, (2) los que se basan en la medicin de la
distorsin de una cmara de presin elstica, y (3) dispositivos de
deteccin elctrica (Maloney, 2008):1. Mtodos lquido-Columna estos
dispositivos de medicin de presin son aquellos en los que la presin
que se est midiendo es equilibrada contra la presin ejercida por
una columna de lquido. Si se conoce la densidad del lquido, la
altura de la columna de lquido es una medida de la presin. La
mayora de las formas de los dispositivos de medicin de presin de
lquido de la columna se denominan comnmente manmetros. Cuando se
observa la altura del lquido visualmente, las columnas de lquido se
encuentran en vidrio u otros tubos transparentes. La altura de la
columna de lquido se puede medir en unidades de longitud o
calibrados en unidades de presin. Dependiendo del rango de presin,
el agua y el mercurio son los lquidos utilizados con mayor
frecuencia. Debido a que la densidad del lquido utilizado vara con
la temperatura, la temperatura debe ser tomada en cuenta para las
mediciones de presin exactas (Maloney, 2008).2. Mtodo de elementos
elsticos: Dispositivos de medicin de presin elemento elstico son
aquellos en los que la presin medida es de la deformacin de un
material elstico (generalmente metlico) dentro de su lmite elstico,
la magnitud de la deformacin es aproximadamente proporcional a la
presin aplicada. Estos dispositivos pueden ser libremente
clasificados dentro de tres tipos de sensores, tubo Bourdon, fuelle
y diafragma (Maloney, 2008):2.1 Sensores de tubo de Bourdon
consiste bsicamente en un tramo de tubo en forma de herradura, con
un extremo sellado y el otro conectado a la fuente de presin.
Debido a que la seccin transversal del tubo es elptica o plana, al
aplicar una presin el tubo tiende a enderezarse, y al quitarla, el
tubo retorna a su forma original, siempre y cuando no se rebase el
lmite de elasticidad del material del tubo. La cantidad de
enderezamiento que sufre el tubo es proporcional a la presin que se
aplica, y como el extremo abierto del tubo esta fijo, entonces el
extremo cerrado se puede conectar a un indicador, para sealar la
presin; o a un transmisor, para generar una seal neumtica o
elctrica. El rango de presin que se puede medir con el tubo de
Bourdon depende del espesor de las paredes y del material con que
se fabrica el tubo (Smith & Corripio, 1991); estos se
seleccionan sobre la base de intervalo de presin, resistencia a la
corrosin por los materiales de proceso, y el efecto de la
temperatura sobre la calibracin (Maloney, 2008). Los principales
sensores de tubo de Bourdon son el espiral, hlice, C, y tubo
torcido.
Ilustracin 1. Tubo Bourdon[footnoteRef:1] [1: Tomado de (Smith
& Corripio, 1991).]
2.2 Fuelle El elemento de fuelle es un cilindro axial elstico
con profundos pliegues o circunvoluciones. Este accesorio convierte
las diferencias de presin en desplazamiento fsico.El fuelle se
pueden usar sin oposicin, o puede ser restringido por un resorte
opuesto. La presin a medir se puede aplicar ya sea en el interior o
en el espacio fuera de los fuelles, con el otro lado expuesto a la
presin atmosfrica. Para la medicin de la presin absoluta, ya sea en
el interior o en el espacio exterior del fuelle puede ser evacuada
y sellada. Las presiones diferenciales se pueden medir mediante la
aplicacin de las presiones a los lados opuestos de un nico fuelle o
a dos fuelles opuestas (Maloney, 2008).
Ilustracin 2. Sensor de presin con fuelle[footnoteRef:2] [2:
Tomado de (Smith & Corripio, 1991).]
Cuando el fuelle aumenta o disminuye la presin expandindose o
contrayndose de forma proporcional a la presin aplicada. Es comn
usar transductores de distancia inductivos (LVDT), que convierten
dicho desplazamiento en voltaje debido a que con el fuelle la
conversin de presin en desplazamiento es prcticamente lineal, como
se ve en la siguiente ilustracin (Johnson, 2003):
Ilustracin 3. Sensor de fuelle[footnoteRef:3] [3: Tomado de
(Johnson, 2003).]
2.3 Sensores de diafragma El diafragma es un sensor semejante al
fuelle, este se muestra en la ilustracin 4 se asemeja como el
comportamiento de un resorte donde la fuerza producida por la
diferencia de presin (F=(P2-P1)*A) se balancea con la desarrollada
por la ley de Hooke (Johnson, 2003). Cuando se incrementa la presin
en el proceso, el centro del diafragma se comprime, la cantidad de
movimiento es proporcional a la presin que se aplica (Smith &
Corripio, 1991), donde el diafragma se deflecta si P1 es mayor que
P2. La extensin de la deflexin es la mediada de la diferencia de
presin (Johnson, 2003).
Ilustracin 4. Sensor de presin con diafragma[footnoteRef:4] [4:
Tomado de (Smith & Corripio, 1991).]
Estos se pueden clasificar en dos tipos principales: los que
utilizan las caractersticas elsticas de la membrana y los que se
oponen por un muelle u otro elemento elstico separado (Maloney,
2008).2.3.1 El primer tipo por lo general se compone de una o ms
cpsulas, cada uno compuesto de dos diafragmas unidos entre s por
soldadura, soldadura fuerte, o soldadura. Los diafragmas son discos
metlicos circulares planas u onduladas. Metales usados comnmente en
los elementos de diafragma incluyen latn, bronce de fsforo,
cobre-berilio, y acero inoxidable. Los rangos estn disponibles a
partir de fracciones de una pulgada de agua a ms de 800 en calibre
(200 kPa) (Maloney, 2008). 2.3.2 El segundo tipo de diafragma se
usa para contener la presin y ejerciendo una fuerza sobre el
elemento elstico opuesto. El diafragma es una membrana flexible o
la holgura de caucho, cuero, tejido impregnado, o de plstico. El
movimiento del diafragma es opuesta por un resorte que determina la
deflexin para una presin dada. Este tipo de diafragma se usa para
la medicin de presin extremadamente baja, de vaco, o presin
diferencial (Maloney, 2008).
3. Mtodos elctricos para medicin de la presin incluyen medidores
de tensin, transductores piezoresistivos y transductores
piezoelctricos (Maloney, 2008):
3.1 Manmetro de Pirani, es un medidor de conductividad trmica
robusta utilizado para le medicin de las presiones a alto vaco.
Operan bajo el principio de que la perdida de calor de un alambre
caliente vara de acuerdo con los cambios de presin a los que est
sujeto, Se basa en una medicin de la resistencia del filamento para
determinar la temperatura del mismo para relacionarla con la
transferencia de calor y por consiguiente con la presin. La
respuesta de la resistencia versus presin es altamente no lneal
(Johnson, 2003).
3.2 Manmetro de ionizacin, Se basa en el principio: El nmero de
iones por unidad de volumen depende de la presin del gas, por lo
que la corriente depende linealmente del mismo. emplea electrones
(de un filamento caliente) para ionizar el gas cuya presin va a ser
medida y despus, mide la corriente que fluye entre dos electrodos
en el ambiente ionizado. (Johnson, 2003).
3.3 Galgas extensiomtricas, Cuando un cable u otro conductor
elctrico se estira elsticamente, su longitud se incrementa y su
dimetro se reduce. Estos cambios dimensionales se dan como
resultado un aumento en la resistencia elctrica del conductor. Los
dispositivos que utilizan las redes del cable de resistencia para
medir pequeas distorsiones en los materiales elsticamente
tensionados son comnmente llamados medidores de tensin. Elementos
de medicin de presin que utilizan medidores de tensin estn
disponibles en una amplia variedad de formas. Hay dos formas bsicas
de medicin de deformacin: unidos y no unidos (Maloney, 2008).3.2.1
Medidores de deformacin en condiciones de servidumbre estn unidos
directamente a la superficie del elemento elstico cuya cepa se va a
medir (Maloney, 2008).3.2.2 El transductor no unido del calibrador
de tensin se compone de un marco fijo y una armadura que se mueve
con respecto al bastidor en respuesta a la presin medida. Los
filamentos o rejillas de alambre de resistencia del calibrador de
tensin se expande o estira, produciendo un cambio en su residencia
que se puede medir por medio de un potencimetro entre la armadura y
el marco (Maloney, 2008).
3.3 Transductor Piezoresistivo: Una variacin del transductor de
presin del calibrador de tensin convencional utiliza uniendo obleas
de semiconductores de un solo cristal de silicio, por lo general,
cuya resistencia vara con la tensin o distorsin. Son una variante
de los medidores de presin de galgas extensiomtricas, que en lugar
de utilizar una rejilla de alambre cuenta con placas de
semiconductor de silicio cuya resistencia vara con deformaciones y
distorsiones. La construccin del transductor y configuraciones
elctricas son similares a los que utilizan medidores de deformacin
convencionales. Un campo magntico permanente se aplica
perpendicular al sensor resonante. Una corriente alterna hace que
el resonador vibre, y la frecuencia resonante sea una funcin de la
presin (tensin) del resonador. Las principales ventajas de
transductores piezoresistivos son una salida de voltaje del puente
mucho ms alta y un tamao ms pequeo. Tensiones de salida a escala
completa de 50 a 100 mV / V de excitacin son tpicos. Algunos nuevos
dispositivos proporcionan una salida digital en lugar de analgica
(Maloney, 2008).
3.4 Transductores piezoelctricos Consisten en cristales que al
ser deformados por una presin generan una diferencia de potencial
proporcional entre sus caras, que se mide por medio de un
potencimetro. Debido a la extremadamente alta impedancia elctrica
de cristales piezoelctricos a baja frecuencia, estos transductores
por lo general no son adecuados para la medicin de presiones de
proceso estticas (Maloney, 2008).
SensorLmites de aplicacinPrecisin
Bourdon CHasta 100 MPa1-5%
Bourdon EspiralHasta 100 MPa0.5%
Bourdon hliceHasta 100 MPa0.5-1%
FuelleNormalmente vaco a 500 kPa0.5%
diafragmaHasta 60 kPa0.5-1.5%
Bibliografa:Cengel, Y. A., & Cimbala, J. M. (2006). Mecnica
de fluidos fundamentos y aplicaciones (Primera ed.). Mxico D.F.:
McGraw-Hill interamericana.CubaEduca portal educativo cubano. (24
de Julio de 2009). Recuperado el 5 de Abril de 2014, de
httP://www.educaciones.cubaeduca.cu/medias/pdf/2450.pdfJohnson, C.
D. (2003). Process control instrumentation technology (Septima
ed.). Upper Saddle River, N.J.: Pentice Hall.Maloney, J. D. (2008).
Perry's chemical engineer's handbook (Octava ed., Vol. VIII).
Mxico: McGraw-Hill.Smith, C. A., & Corripio, A. B. (1991).
Control automtico de procesos teora y prctica (Primera ed.). Mxico
D.F.: Limusa S.A.
