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PRESIÓN Antonio José Viettri Colmenárez

C.I 21.046.937


Concepto de Presión La presión (símbolo p); es una magnitud física que mide como la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie (esa magnitud es escalar), y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea. En el Sistema Internacional la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado. En el Sistema Inglés la presión se mide en libra por pulgada cuadrada (pound per square inch o psi) que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando en una pulgada cuadrada.


Concepto de Presión La presión es la magnitud escalar que relaciona la fuerza con la superficie sobre la cual actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la superficie. Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme, la presión P viene dada de la siguiente forma:

En un caso general donde la fuerza puede tener cualquier dirección y no estar distribuida uniformemente en cada punto la presión se define como:


Concepto de Presión Donde N es un vector unitario y normal a la superficie en el punto donde se pretende medir la presión. La definición anterior puede escribirse también como:

donde: f es la fuerza por unidad de superficie. n es el vector normal a la superficie. a es el área total de la superficie S.


M茅todos de Medici贸n de Presi贸n


Métodos de Medición de Presión • Presión absoluta y relativa • En determinadas aplicaciones la presión se mide no como la presión absoluta sino como la presión por encima de la presión atmosférica, denominándose presión relativa, presión normal, presión de gauge o presión manométrica. Consecuentemente, la presión absoluta es la presión atmosférica (Pa) más la presión manométrica (Pm) (presión que se mide con el manómetro).


Métodos de Medición de Presión Presión hidrostática e hidrodinámica En un fluido en movimiento la presión hidrostática puede diferir de la llamada presión hidrodinámica por lo que debe especificarse a cual de las dos se está refiriendo una cierta medida de presión.

Presión de un gas • En el marco de la teoría cinética la presión de un gas es explicada como el resultado macroscópico de las fuerzas implicadas por las colisiones de las moléculas del gas con las paredes del contenedor. La presión puede definirse por lo tanto haciendo referencia a las propiedades microscópicas del gas. • Para un gas ideal con N moléculas, cada una de masa m y moviéndose con una velocidad aleatoria promedio vrms contenido en un volumen cúbico V las partículas del gas impactan con las paredes del recipiente de una manera que puede calcularse de manera estadística intercambiando momento lineal con las paredes en cada choque y efectuando una fuerza neta por unidad de área que es la presión ejercida por el gas sobre la superficie sólida.


Métodos de Medición de Presión La presión puede calcularse entonces como

Este resultado es interesante y significativo no sólo por ofrecer una forma de calcular la presión de un gas sino porque relaciona una variable macroscópica observable, la presión, con la energía cinética promedio por molécula, 1/2 mvrms², que es una magnitud microscópica no observable directamente. Nótese que el producto de la presión por el volumen del recipiente es dos tercios de la energía cinética total de las moléculas de gas contenidas.


Métodos de Medición de Presión La presión puede calcularse entonces como

Este resultado es interesante y significativo no sólo por ofrecer una forma de calcular la presión de un gas sino porque relaciona una variable macroscópica observable, la presión, con la energía cinética promedio por molécula, 1/2 mvrms², que es una magnitud microscópica no observable directamente. Nótese que el producto de la presión por el volumen del recipiente es dos tercios de la energía cinética total de las moléculas de gas contenidas.


Unidades de medida, presión y sus factores de conversión La presión atmosférica media es de 101 325 pascales (101,3 kPa), a nivel del mar, donde 1 Atm = 1,01325 bar = 101325 Pa = 1,033kgf/cm² y 1 m.c.a = 9,81 kPa.

Unidades de presión y sus factores de conversión Pascal

bar

N/mm²

kp/m²

kp/cm²

atm

Torr

PSI

1 Pa (N/m²) 1 =

10-5

10-6

0,102

0,102×10-4

0,987×10-5

0,0075

0,00014503

1 bar (10N/ 105 cm²) =

1

0,1

10200

1,02

0,987

750

14.5036

1 N/mm² =

106

10

1

1,02×105

10,2

9,87

7500

145.0536

1 kp/m² =

9,81

9,81×10-5

9,81×10-6

1

10-4

0,968×10-4

0,0736

0.001422

1 kp/cm² =

9,81x104

0,981

0,0981

10000

1

0,968

736

14.22094

1 atm (760 Torr) =

101325

1,01325

0,1013

10330

1,033

1

760

14.69480

4

13,6

1,36x10-3

1,32x10-3

1

0.019336

0.06894

703.188

0.0703188

0.68046

51.7149

1

1 Torr (mm 133,32 Hg) =

0,0013332

1 PSI (libra / pulgada 6894.75729 0.68948 cuadrada) =

1,3332×10-


Transductores para medir presi贸n


Transductores para medir presión ¿Qué es un transductor de presión? • Un transductor de presión convierte la presión en una señal eléctrica analógica. Aunque hay varios tipos de transductores de presión, uno de los más comunes es el transductor extensométrico. La conversión de la presión en una señal eléctrica se consigue mediante la deformación física de los extensómetros que están unidos en el diafragma del transductor de presión y cableados en una configuración de puente de Wheatstone. La presión aplicada al transductor de presión produce una deflexión del diafragma, que introduce la deformación a los medidores. La deformación producirá un cambio de resistencia eléctrica proporcional a la presión.


Transductores para medir presiรณn Transductores Mecรกnicos: โ€ข Los elementos primarios elรกsticos, se basan en aplicar la presiรณn a medir en el interior del dispositivo, el cual tiende a expanderse o comprimirse y este movimiento es transmitido a una aguja indicadora u otro mecanismo de acoplamiento. Los transductores mรกs representativos de este tipo son el tubo de Bourdon, el diafragma y el fuelle, entre otros.


Transductores para medir presión El tubo de Bourdon. Es un tubo de sección elíptica que forma una anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del tubo, éste comienza a enderezarse y el movimiento es transmitido a una aguja indicadora por un sector dentado y un pinón. Para el tubo de Bourdon los material más usados son: el acero inoxidable, la aleación de cobre y aleaciones hastelloy y monel. El elemento en espiral se forma enrrollando el tubo de Bourdon en forma espiral alrededor de un eje. Se utiliza para mediciones de presión de 0.5 a 100.000 psi.


Transductores para medir presión El diafragma. Consiste en uno o varios discos circulares que se encuentran conectados rígidamente de forma tal que al aplicar una presión, cada disco se deforma , y la suma de éstos pequeños desplazamientos es amplificada por un par de palancas. Los materiales utilizados en los diafragmas son la aleación de níquel o inconel, la cerámica, el aluminio, y el silicio. Existen diversos tipos de diafragmas tales como corrugado, plano, horizontal, de cápsula, etc. El diafragma de tipo horizontal consiste en un disco circular metálico cuyos bordes se encuentran fijos dentro de una cámara, donde una de las caras del diafragma esta en contacto con el fluido que está bajo presión, lo cual provocará una deformación en el diafragma, que es proporcional a la presión ejercida. Si se utilizan dos diafragmas de este tipo se obtiene un diafragma de cápsula, el cual soporta mayores presiones, ocasionando mayores deformaciones debido a que se conectan en serie los diafragmas, permitiendo medir presiones absolutas y diferenciales.

Se emplean para pequeñas presiones en el intervalo de 0,071 - 28,466 psi


Transductores para medir presión El fuelle: es parecido al diafragma de cápsula, pero es una sola pieza flexible axialmente y puede dilatarse y contraerse con un desplazamiento considerable. Para pequeñas presiones en el intervalo de 0,142 - 28,466 psi.


Transductores para medir presión Estos dispositivos mecánicos estudiados se pueden conectar a un sistema de relojería, el cual, amplifica el desplazamiento y lo transforma en rotación angular, que se detecta mediante una aguja ubicada sobre una escla graduada en unidades de presión. Este recibe por nombre Manómetro..


Transductores para medir presión Transductores electromecánicos de Presión Resistivos o Potenciométricos Estos se basan en que el desplazamiento provocado por un elemento elástico el cual hace variar la resistencia de un potenciómetro en función de la presión. Existen varios tipos de potenciómetros a utilizar: de grafito, de resistencia embobinada, de película metálica y plástico moldeado. La señal de salida de estos transductores es bastante potente, por lo que no es necesario una etapa de amplificación a la salida, sin embargo son insensibles a pequeñas variaciones del cursor y son sensibles a vibraciones. No suelen ser muy estables.


Transductores para medir presión Capacitivos: El funcionamiento básico de éste tipo de transductores consiste en dos placas paralelas separadas por un dieléctrico. La variación de capacitancia puede ser obtenida por cambios de la distancia entre placas, cambios en el área de las placas o cambios físicos o químicos en el dieléctrico. De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna. Se caracterizan por ser de tamaño pequeño y su robusta construcción, son adecuados para mediciones estáticas y dinámicas, su señal de salida es débil por lo que se requiere una etapa amplificadora a la salida del transductor, son sensibles a la temperatura.


Transductores para medir presión La capacitancia esta dada por ejemplo: C=(0.225*A*K)/x Donde A= Área común K= Ctte. Dieléctrica x= Dist. De las Placas


Transductores para medir presión Magnéticos:

Transductores magnéticos. Los transductores magnéticos básicamente son de dos tipos: Transductores de inductancia variable en los que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina varía la inductancia casi proporcional al desplazamiento del núcleo. Dentro de este tipo de transductores también se utiliza el LVDT.


Transductores para medir presión Transductores de reluctancia variable, en este caso se tiene un imán permanente que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. Al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por consiguiente el flujo magnético, esta variación del flujo provoca una corriente inducida en la bobina que es proporcional al desplazamiento de la armadura.

Al aplicar la presión al elemento elástico, éste desplaza el núcleo de la bobina o la armadura, generándose una señal eléctrica proporcional a la presión.


Transductores para medir presión Estos dispositivos utilizan las características piezoeléctricas de ciertos cristales y materiales cerámicos para generar Piezoeléctricos. una señal eléctrica. El denominado efecto piezoeléctrico fue descubierto por Pierre y Jacques Curie en 1880, cuando descubrieron que al aplicar presión a un cristal de cuarzo se podía generar una carga eléctrica. Estudios posteriores han revelado que existen unos 40 materiales cristalinos que cumplen esta propiedad. Estos elementos eléctricos, son materiales cristalinos que al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. La señal de respuesta varía en forma lineal con la presión de entrada, son adecuados para medidas dinámicas ya que son capaces de responder a frecuencias del orden de 1 MHz. Son elementos pequeños de construcción robusta sin embargo son sensibles a cambios de temperatura; requiere de amplificadores.


Transductores para medir presión Los piezoeléctricos son dispositivos de alta impedancia, por esto solo pueden suministrar corrientes muy pequeñas. Si la temperatura es elevada lo suficiente, punto Curie, estos materiales pueden perder sus propiedades. Debe notarse que una limitación de los piezoeléctricos es que no tienen buena respuesta a la aplicación de una fuerza constante, pero su respuesta es adecuada para la medición de fuerzas mecánicas cambiantes. Su respuesta en frecuencia va desde unos pocos Hertz hasta el nivel de Mega Hertz.

Carga inducida sobre el Cristal: Q=d*F F=Fuerza D=Ctte piezoeléctrica Voltaje de Salida: Eo=Se*h*(Q/d)


Transductores para medir presión Extensométricos

También llamados galgas extensométricas o strain gage. Se basan en la variación de longitud y de diámetro, por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de alambre se encuentra sometido a una tensión mécanica por la acción de la presión. El cambio de resistencia que acompaña al esfuerzo se debe a cambios geométricos y a cambios en la resistividad del material. Cumplen la siguiente relación: R=ρ L / A

Donde: L=Longitud A= área de la sección transversal ρ= Resistividad del material.

Pueden ser de tres tipos: De alambre, laminar y semiconductor

Presion