Curso: Principios de Medidas Código: INST 3601
Tema: Variable Física - Presión Lección: 2
Sub-Tema: Definiciones, Unidades y Fórmulas Profesor: James Robles
VARIABLE FÍSICA - PRESIÓN:
La presión se define como la fuerza que ejerce un fluido sobre un área específica. La presión p es una
función de la fuerza F y el área A. Esta relación se conoce como la “Ley de Pascal”
Un recipiente lleno de gas contiene innumerables átomos y moléculas que están constantemente
rebotando contra sus paredes. La presión sería la fuerza promedio de estos átomos y moléculas en sus
paredes por unidad de área del recipiente. Además, la presión no tiene que ser medido a lo largo de la
pared de un recipiente, sino más bien se puede medir como la fuerza por unidad de área a lo largo de
cualquier plano. La presión del aire, por ejemplo, es una función del peso del aire empujando hacia
abajo en la Tierra. Por lo tanto, como la altitud aumenta, la presión disminuye. Del mismo modo, cuando
un buzo o un submarino se sumergen a más profundidad en el océano, la presión aumenta.
La unidad SI de presión es el Pascal (Pa o N/m2), pero otras unidades comunes de presión incluye libras
por pulgada cuadrada (psi), atmósferas (atm), bares, pulgadas de agua (in. H2O), pulgadas de mercurio
(in. Hg), y milímetros de mercurio (mm Hg). 1 psi = 27.74 in H2O.
Una medición de la presión puede ser descrita como estática o dinámica. La presión en los casos en que
no se está produciendo ningún movimiento se conoce como presión estática. Ejemplos de presión
estática incluyen la presión del aire dentro de un globo o de agua dentro de una cuenca. Muchas veces,
el movimiento de un fluido cambia la fuerza aplicada a sus alrededores. Tal medición de presión se
conoce como medición dinámica de la presión. Por ejemplo, la presión dentro de un globo o en el fondo
de una cuenca de agua cambiaría cuando el aire se deja salir del globo o cuando el agua se vierte fuera
de la cuenca.
Figura 1
La presión sobre un buzo en el océano sería la profundidad del buzo multiplicado por el peso del océano
(.037 libras por pulgada cúbico). Un buzo a 33 pies de profundidad en el océano tendría 14.7 libras de
agua en cada pulgada cuadrada de su cuerpo. Eso se traduce en 14.7 psi.
( ⁄ )
⁄
Curiosamente, la presión atmosférica del aire al nivel del mar es también 14.7 psi o 1 atm. Por lo tanto,
33 pies de agua crean tanta presión como 5 millas de aire! La presión total en un buzo a 33 pies de
profundidad del océano sería la presión combinada causada por el peso del aire y el agua, que sería 29.4
psi o 2 atm.
Una medición de la presión adicional puede ser descrita por el tipo de medición que se realiza. Hay tres
tipos de mediciones de la presión: absoluta, manométrica (gauge) y diferencial.
Medición de presión absoluta se mide en relación a un vacío (Figura
2). Muchas veces, las abreviaturas Paa (pascales absolutos) o psia
(libras por pulgada cuadrada absoluta) se utilizan para describir
presión absoluta.
La presión manométrica (gauge) se mide en relación a la presión
atmosférica de ambiente (Figura 3). Similar a la presión absoluta,
las abreviaturas Pag (pascales Gauge) o psig (libras por pulgada
cuadrada Gauge) se utilizan para describir la presión manométrica.
La presión diferencial es similar, pero en lugar de la medición
con respecto a la presión atmosférica de ambiente, se toman
mediciones diferenciales con respecto a una referencia de
presión específica (Figura 4). Además, el Pad (pascales
diferencial) o psid (libras por pulgada cuadrada diferencial) se
utilizan para describir la presión diferencial.
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Sensores de Presión
Debido a la gran variedad de condiciones, rangos, y fluidos para la cual debe medirse la presión, hay
muchos tipos diferentes de diseños de sensores de presión. A menudo la presión puede ser convertida
a desplazamiento. El sensor convierte entonces este desplazamiento en una salida eléctrica, tal como
voltaje o corriente. Los cuatro tipos más utilizados de transductores de presión son el strain gage,
MEMS, de capacitancia variable y piezoeléctrico.
Strain Gage
De todos los sensores de presión, sensores de puente de Wheatstone (strain gage) son los más
comunes, ofreciendo soluciones que cumplen con diversos niveles de exactitud, tamaño, robustez, y
costo. Sensores de puente se utilizan para aplicaciones de alta y baja presión y puede medir presión
absoluta, gauge o presión diferencial. Todos los sensores de puente hacen uso de un strain gage y un
diafragma (Figura 5).
Cuando un cambio en la presión hace que el diafragma tenga deflexiones, se induce un cambio
correspondiente en la resistencia en el strain gage, que a su vez produce un desbalance en el puente
(Figura 6).
Figura 5
Diafragma
Strain Gauges
Fluido Bajo Presión
Puente de Wheatstone con Strain Gage
Figura 6
MEMS (MicroElectroMechanical Systems)
Fabricantes de circuitos integrados han desarrollado sensores de presión compuestos que son
particularmente fáciles de usar. Estos dispositivos emplean comúnmente un diafragma semiconductor
sobre el cual un semiconductor strain gage y un sensor de compensación de temperatura se han
cultivado. Acondicionamiento de la señal está incluido en forma de circuito integrado, proporcionando
una corriente o voltaje linealmente proporcional a la presión sobre un rango específico.
Capacitancia Variable
La capacitancia entre dos placas de metal cambia si la distancia entre estas dos placas cambia. Un
transductor de presión de capacitancia variable (Figura 6), mide el cambio en capacitancia entre un
diafragma de metal y una placa de metal fija. Estos transductores de presión son generalmente muy
estables y lineales, pero son sensibles a las altas temperaturas y son más complicados de instalar que la
mayoría de los sensores de presión.
Piezoeléctrico
Los transductores de presión piezoeléctricos (Figura 7) toman ventaja de las propiedades eléctricas de
los cristales de origen natural tales como el cuarzo. Estos cristales generan una carga eléctrica cuando
son sometidas a presión. Sensores de presión piezoeléctricos no requieren una fuente de excitación
externa y son muy resistentes. Sin embargo, los sensores requieren circuitos de amplificación y son muy
susceptibles a los golpes y vibraciones.
Figura 6
Figura 7
Protección del Sensor
Una causa común de falla en el sensor en aplicaciones de medición de presión la sobrecarga de presión
al sensor. Un ejemplo clásico de la sobrecarga de un sensor de presión se conoce como el fenómeno del
golpe de martillo. Esto ocurre cuando un fluido en movimiento rápido se detiene repentinamente por el
cierre de una válvula. El líquido tiene un momento que está detenido de repente, lo que hace un
minúsculo estiramiento de la vasija en la que está restringido el fluido. Este estiramiento genera un pico
de presión que puede dañar un sensor de presión. Para reducir los efectos del "golpe de martillo", los
sensores son a menudo montados con un amortiguador entre el sensor y la línea de presión. Un
amortiguador es por lo general un filtro de malla o material sinterizado que permite el paso del fluido,
pero no en grandes volúmenes y por lo tanto evita los picos de presión. Un amortiguador es una buena
opción para proteger su sensor en ciertas aplicaciones.
Las Medidas de Presión
La salida natural de un transductor de presión es un voltaje. La mayoría de los transductores de strain
gage dará una salida de un pequeño voltaje mV. Muchos transductores de presión emitirán una señal
condicionada de 1-5 VDC o 4-20 mA. Ambas salidas son lineales en todo el rango de trabajo del
transductor. Por ejemplo, tanto 1 VDC y 4 mA corresponde a una medición de presión 0%. Del mismo
modo, 5 VDC y 20 mA se corresponden con la capacidad de escala completa (100%) o la presión máxima
que el transductor puede medir. Las señales de 4-20 mA y 0-5 VDC pueden ser fácilmente medidos por
un multímetro de proceso.