Medición de presión

Se han inventado muchos instrumentos para medir la presión, con diferentes ventajas y desventajas. El rango de presión, la sensibilidad, la respuesta dinámica y el costo varían en varios órdenes de magnitud de un diseño de instrumento al siguiente. El tipo más antiguo es el manómetro de columna líquida (un tubo vertical lleno de mercurio) inventado por Evangelista Torricelli en 1643. El tubo en U fue inventado por Christiaan Huygens en 1661.

HydrostaticEdit

Los medidores hidrostáticos (como el manómetro de columna de mercurio) comparan la presión con la fuerza hidrostática por unidad de área en la base de una columna de fluido. Las mediciones de los manómetros hidrostáticos son independientes del tipo de gas que se está midiendo y pueden diseñarse para tener una calibración muy lineal. Tienen una respuesta dinámica deficiente.

PistonEdit

Los medidores de pistón contrarrestan la presión de un fluido con un resorte (por ejemplo, medidores de presión de neumáticos de precisión comparativamente baja) o un peso sólido , en cuyo caso se conoce como medidor de peso muerto y se puede utilizar para la calibración de otros medidores.

Columna de líquido (manómetro) Editar

Los medidores de columna de líquido consisten en una columna de líquido en un tubo cuyos extremos están expuestos a diferentes presiones. La columna subirá o bajará hasta que su peso (una fuerza aplicada debido a la gravedad) esté en equilibrio con la diferencia de presión entre los dos extremos del tubo (una fuerza aplicada debido a la presión del fluido). Una versión muy simple es un tubo en forma de U medio lleno de líquido, un lado del cual está conectado a la región de interés mientras que la presión de referencia (que puede ser la presión atmosférica o el vacío) se aplica al otro. La diferencia en los niveles de líquido representa la presión aplicada. La presión ejercida por una columna de fluido de altura hy densidad ρ viene dada por la ecuación de presión hidrostática, P = hgρ. Por lo tanto, la diferencia de presión entre la presión aplicada Pa y la presión de referencia P0 en un manómetro de tubo en U se puede encontrar resolviendo Pa – P0 = hgρ. En otras palabras, la presión en cada extremo del líquido (que se muestra en azul en la figura) debe estar equilibrada (ya que el líquido es estático), por lo que Pa = P0 + hgρ.

En la mayoría de los líquidos- medidas de columna, el resultado de la medida es la altura h, expresada normalmente en mm, cm o pulgadas. La h también se conoce como altura de presión. Cuando se expresa como altura de presión, la presión se especifica en unidades de longitud y se debe especificar el fluido de medición. Cuando la precisión es crítica, la temperatura del fluido de medición también debe especificarse, porque la densidad del líquido es función de la temperatura. Entonces, por ejemplo, la altura de presión podría escribirse «742.2 mmHg» o «4.2 inH2O a 59 ° F» para mediciones tomadas con mercurio o agua como fluido manométrico respectivamente. La palabra «manómetro» o «vacío» se puede agregar a dicha medición para distinguir entre una presión por encima o por debajo de la presión atmosférica. Tanto los mm de mercurio como las pulgadas de agua son cabezas de presión comunes, que se pueden convertir a unidades SI de presión utilizando la conversión de unidades y las fórmulas anteriores.

Si el fluido que se mide es significativamente denso, es posible que se hayan producido correcciones hidrostáticas. Debe hacerse para la altura entre la superficie móvil del fluido de trabajo del manómetro y el lugar donde se desea medir la presión, excepto cuando se mide la presión diferencial de un fluido (por ejemplo, a través de una placa de orificio o venturi), en cuyo caso la densidad ρ debe corregirse restando la densidad del fluido que se mide.

Aunque se puede usar cualquier fluido, se prefiere el mercurio por su alta densidad (13.534 g / cm3) y baja presión de vapor. Su menisco convexo es ventajoso ya que esto significa que no habrá errores de presión por mojar el vidrio, aunque en circunstancias excepcionalmente limpias, el mercurio se adherirá al vidrio y el barómetro puede atascarse (el mercurio puede sostener una presión absoluta negativa) incluso bajo fuerte vacío. Para diferencias de baja presión, se suele utilizar aceite ligero o agua (esta última da lugar a unidades de medida como pulgadas de manómetro y milímetros de H2O). Los manómetros de columna de líquido tienen una calibración altamente lineal. Tienen una respuesta dinámica deficiente porque el fluido en la columna puede reaccionar lentamente a un cambio de presión.

Al medir el vacío, el líquido de trabajo puede evaporarse y contaminar el vacío si su presión de vapor es demasiado alta. Al medir la presión de un líquido, un circuito lleno de gas o un fluido ligero puede aislar los líquidos para evitar que se mezclen, pero esto puede ser innecesario, por ejemplo, cuando se utiliza mercurio como fluido manométrico para medir la presión diferencial de un fluido como agua. Los manómetros hidrostáticos simples pueden medir presiones que van desde unos pocos torrs (unos 100 Pa) hasta unas pocas atmósferas (aproximadamente 1000000 Pa).

Un manómetro de columna de líquido de una sola rama tiene un depósito más grande en lugar de un lado del tubo en U y tiene una escala al lado de la columna más estrecha. La columna puede inclinarse para amplificar aún más el movimiento del líquido. Según el uso y la estructura, se utilizan los siguientes tipos de manómetros

1. Manómetro simple
2. Micromanómetro
3. Manómetro diferencial
4. Invertido manómetro diferencial

manómetro McLeodEdit

Un medidor McLeod aísla una muestra de gas y la comprime en un manómetro de mercurio modificado hasta que la presión es de unos pocos milímetros de mercurio. La técnica es muy lenta e inadecuada para el monitoreo continuo, pero es capaz de una buena precisión. A diferencia de otros manómetros, la lectura del manómetro McLeod depende de la composición del gas, ya que la interpretación se basa en la compresión de la muestra como gas ideal. Debido al proceso de compresión, el manómetro McLeod ignora por completo las presiones parciales de los vapores no ideales que se condensan, como los aceites de bomba, el mercurio e incluso el agua si se comprime lo suficiente.

Rango útil: de alrededor de 10 a 4 Torr (aproximadamente 10−2 Pa) a vacíos de hasta 10−6 Torr (0,1 mPa),

0,1 mPa es la medida directa más baja de presión que es posible con la tecnología actual. Otros vacuómetros pueden medir presiones más bajas, pero solo indirectamente midiendo otras propiedades dependientes de la presión. Estas mediciones indirectas deben calibrarse a unidades SI mediante una medición directa, más comúnmente un manómetro McLeod.

AneroidEdit

Los medidores aneroides se basan en un elemento metálico sensor de presión que se flexiona elásticamente bajo el efecto de una diferencia de presión a través del elemento. «Aneroide» significa «sin fluido», y el término originalmente distinguía estos medidores de los medidores hidrostáticos descritos anteriormente. Sin embargo, los manómetros aneroides se pueden utilizar para medir la presión de un líquido y de un gas, y no son el único tipo de manómetro que puede funcionar sin líquido. Por esta razón, a menudo se les llama medidores mecánicos en el lenguaje moderno. Los medidores aneroides no dependen del tipo de gas que se mide, a diferencia de los medidores térmicos y de ionización, y es menos probable que contaminen el sistema que los medidores hidrostáticos. El elemento sensor de presión puede ser un tubo de Bourdon, un diafragma, una cápsula o un conjunto de fuelles, que cambiarán de forma en respuesta a la presión de la región en cuestión. La desviación del elemento sensor de presión puede leerse mediante un enlace conectado a una aguja, o puede leerse mediante un transductor secundario. Los transductores secundarios más comunes en los medidores de vacío modernos miden un cambio en la capacitancia debido a la desviación mecánica. Los manómetros que dependen de un cambio en la capacitancia a menudo se denominan manómetros de capacitancia.

Bourdon gaugeEdit

El manómetro de Bourdon utiliza el principio de que un tubo aplanado tiende a enderezarse o recuperar su forma circular en sección transversal cuando se presuriza. Este cambio en la sección transversal puede ser apenas perceptible, implicando tensiones moderadas dentro del rango elástico de materiales fácilmente trabajables. La deformación del material del tubo se magnifica formando el tubo en forma de C o incluso en hélice, de modo que todo el tubo tiende a enderezarse o desenrollarse elásticamente a medida que se presuriza. Eugène Bourdon patentó su calibre en Francia en 1849 y fue ampliamente adoptado debido a su sensibilidad, linealidad y precisión superiores; Edward Ashcroft compró los derechos de patente estadounidense de Bourdon en 1852 y se convirtió en un importante fabricante de manómetros. También en 1849, Bernard Schaeffer en Magdeburg, Alemania, patentó un exitoso manómetro de diafragma (ver más abajo) que, junto con el manómetro Bourdon, revolucionó la presión. medición en la industria. Pero en 1875, después de que expiraran las patentes de Bourdon, su empresa Schaeffer and Budenberg también fabricaba manómetros de tubo Bourdon.

En la práctica, una pared delgada aplanada, de extremo cerrado El tubo está conectado en el extremo hueco a un tubo fijo que contiene la presión del fluido a medir. A medida que aumenta la presión, el extremo cerrado se mueve en un arco, y este movimiento se convierte en la rotación de un (segmento de) engranaje mediante un eslabón de conexión que generalmente es ajustable. Un engranaje de piñón de pequeño diámetro se encuentra en el eje del indicador, por lo que el movimiento se magnifica aún más por la relación de transmisión. El posicionamiento de la tarjeta indicadora detrás del puntero, la posición inicial del eje del puntero, la longitud del varillaje y la posición inicial, todos proporcionan medios para calibrar el puntero para indicar el rango de presión deseado para variaciones en el comportamiento del tubo de Bourdon.La presión diferencial se puede medir con manómetros que contienen dos tubos Bourdon diferentes, con conexiones de conexión.

Los tubos Bourdon miden la presión manométrica, en relación con la presión atmosférica ambiental, en contraposición a la presión absoluta; el vacío se detecta como un movimiento inverso. Algunos barómetros aneroides usan tubos de Bourdon cerrados en ambos extremos (pero la mayoría usa diafragmas o cápsulas, ver más abajo). Cuando la presión medida está pulsando rápidamente, como cuando el manómetro está cerca de una bomba alternativa, con frecuencia se usa una restricción de orificio en la tubería de conexión para evitar el desgaste innecesario de los engranajes y proporcionar una lectura promedio; cuando todo el medidor está sujeto a vibraciones mecánicas, la caja completa, incluidos el puntero y la tarjeta indicadora, se puede llenar con aceite o glicerina. No se recomienda tocar la cara del medidor, ya que tenderá a falsificar las lecturas reales presentadas inicialmente por el medidor. El tubo de Bourdon está separado de la cara del manómetro y, por lo tanto, no tiene ningún efecto sobre la lectura real de presión. Los medidores modernos típicos de alta calidad proporcionan una precisión de ± 2% del intervalo, y un medidor especial de alta precisión puede ser tan exacto como el 0,1% de la escala completa.

Los sensores de tubo de Bourdon de cuarzo fundido con equilibrio de fuerza funcionan según el mismo principio, pero utiliza el reflejo de un haz de luz de un espejo para detectar el desplazamiento angular y se aplica corriente a los electroimanes para equilibrar la fuerza del tubo y devolver el desplazamiento angular a cero, la corriente que se aplica al bobinas se utiliza como medida. Debido a las propiedades mecánicas y térmicas extremadamente estables y repetibles del cuarzo y al equilibrio de fuerza que elimina casi todo movimiento físico, estos sensores pueden tener una precisión de alrededor de 1 PPM de escala completa. Debido a las estructuras de cuarzo fundido extremadamente finas que deben fabricarse a mano, estos sensores generalmente se limitan a fines científicos y de calibración.

En las siguientes ilustraciones, se ha visto la cara de cubierta transparente de la combinación de manómetro y vacuómetro que se muestra en la imagen. quitado y el mecanismo quitado de la caja. Este manómetro en particular es una combinación de manómetro de vacío y presión que se utiliza para el diagnóstico automotriz:

• El lado izquierdo de la cara, que se usa para medir el vacío del colector, está calibrado en centímetros de mercurio en su escala interna y pulgadas de mercurio en su escala externa.
• La la parte derecha de la cara se usa para medir la presión de la bomba de combustible o el turbo boost y está calibrada en fracciones de 1 kgf / cm2 en su escala interior y libras por pulgada cuadrada en su escala exterior.

Detalles mecánicosEditar

Partes estacionarias:

• A: Bloque receptor. Éste une el tubo de entrada al extremo fijo del tubo Bourdon (1) y asegura la placa del chasis (B). Los dos orificios reciben tornillos que aseguran la carcasa.
• B: Placa del chasis. La tarjeta de la cara se adjunta a esto. Contiene orificios para los cojinetes de los ejes.
• C: Placa de chasis secundaria. Soporta los extremos exteriores de los ejes.
• D: Postes para unir y espaciar las dos placas del chasis.

Partes móviles:

1. Extremo estacionario del tubo de Bourdon. Esto se comunica con la tubería de entrada a través del bloque receptor.
2. Extremo móvil del tubo Bourdon. Este extremo está sellado.
3. Pivote y pasador de pivote
4. Enlace el pasador de pivote de unión a la palanca (5) con pasadores para permitir la rotación de la junta
5. Palanca, una extensión de el engranaje del sector (7)
6. Pasador del eje del engranaje del sector
7. Engranaje del sector
8. Eje de aguja indicadora. Este tiene un engranaje recto que engancha el engranaje de sector (7) y se extiende a través de la cara para impulsar la aguja indicadora. Debido a la corta distancia entre el saliente de la articulación del brazo de palanca y el pasador de pivote y la diferencia entre el radio efectivo del engranaje de sector y el del engranaje recto, cualquier movimiento del tubo de Bourdon se amplifica enormemente. Un pequeño movimiento del tubo da como resultado un gran movimiento de la aguja indicadora.
9. Muelle de pelo para precargar el tren de engranajes y eliminar el latigazo de los engranajes y la histéresis

DiaphragmEdit

Un segundo tipo de manómetro aneroide utiliza la deflexión de una membrana flexible que separa regiones de diferente presión. La cantidad de deflexión se puede repetir para presiones conocidas, por lo que la presión se puede determinar mediante calibración. La deformación de un diafragma delgado depende de la diferencia de presión entre sus dos caras. La cara de referencia puede estar abierta a la atmósfera para medir la presión manométrica, abierta a un segundo puerto para medir la presión diferencial o puede sellarse contra un vacío u otra presión de referencia fija para medir la presión absoluta. La deformación se puede medir mediante técnicas mecánicas, ópticas o capacitivas.Se utilizan diafragmas cerámicos y metálicos.

Rango útil: por encima de 10-2 Torr (aproximadamente 1 Pa)

Para mediciones absolutas, a menudo se utilizan cápsulas de presión soldadas con diafragmas en ambos lados.

forma:

• Plano
• Corrugado
• Tubo aplanado
• Cápsula

FuelleEditar

En manómetros destinados a detectar pequeñas presiones o diferencias de presión, o que requieren que se mida una presión absoluta, el tren de engranajes y la aguja pueden ser impulsados por una cámara de fuelle cerrada y sellada, llamada aneroide, que significa «sin líquido». (Los primeros barómetros usaban una columna de líquido como agua o el metal líquido mercurio suspendido por un vacío). Esta configuración de fuelle se usa en barómetros aneroides (barómetros con una aguja indicadora y tarjeta de cuadrante), altímetros, barógrafos de registro de altitud y la altitud Instrumentos de telemetría utilizados en radiosondas de globos meteorológicos. Estos dispositivos utilizan la cámara sellada como presión de referencia y son impulsados por la presión externa. Otros instrumentos sensibles de la aeronave, como los indicadores de velocidad del aire y los indicadores de velocidad de ascenso (variómetros), tienen conexiones tanto a la parte interna de la cámara aneroide como a una cámara envolvente externa.

Acoplamiento magnéticoEditar

Estos medidores utilizan la atracción de dos imanes para traducir la presión diferencial en el movimiento de un puntero de dial. A medida que aumenta la presión diferencial, se mueve un imán unido a un pistón o un diafragma de goma. Un imán giratorio que se adjunta a un puntero se mueve al unísono. Para crear diferentes rangos de presión, la velocidad del resorte se puede aumentar o disminuir.

Medidor de rotor giratorioEditar

El medidor de rotor giratorio funciona midiendo la cantidad de velocidad de una bola giratoria viscosidad del gas que se mide. La bola está hecha de acero y levita magnéticamente dentro de un tubo de acero cerrado en un extremo y expuesto al gas que se va a medir en el otro. La bola se lleva a la velocidad (aproximadamente 2500 rad / s) y la velocidad se mide después de apagar el accionamiento mediante transductores electromagnéticos. El rango del instrumento es de 10−5 a 102 Pa (103 Pa con menos precisión). Es lo suficientemente preciso y estable como para ser utilizado como estándar secundario. El instrumento requiere cierta habilidad y conocimiento para usarlo correctamente. Se deben aplicar varias correcciones y la bola debe girarse a una presión muy por debajo de la presión de medición prevista durante cinco horas antes de su uso. Es más útil en laboratorios de calibración e investigación donde se requiere alta precisión y se dispone de técnicos calificados.