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.