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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA DOCENTE:

M.E. RAÚL GUTIÉRREZ HERRERA

NOMBRE DEL CURSO:

LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS

ACTIVIDAD #4: APARATOS DE MEDICIÓN DE PRESIÓN MATRÍCULA 1751396

NOMBRE LUIS FERNANDO LORENZO HERNÁNDEZ

GRUPO: DÍA: 406 JUEVES

CARRERA CALIFICACIÓN IMTC

HORA: V5

ENERO – JUNIO 2019

CIUDAD UNIVERSITARIA, SAN NICOLÁS DE LOS GARZA A 28 FEBRERO 2019

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Introducción Se llama presión manométrica a la diferencia entre la presión absoluta o real y la presión atmosférica. Se aplica tan solo en aquellos casos en los que la presión es superior a la presión atmosférica, pues cuando esta cantidad es negativa se llama presión de vacío. Muchos de los aparatos empleados para la medida de presiones utilizan la presión atmosférica como nivel de referencia y miden la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica, llamándose a este valor presión manométrica. Los aparatos utilizados para medir la presión manométrica reciben el nombre de manómetros y funcionan según los mismos principios en que se fundamentan los barómetros de mercurio y los aneroides. La presión manométrica se expresa bien sea por encima o por debajo de la presión atmosférica. Los manómetros que sirven para medir presiones inferiores a la atmosférica se llaman manómetros de vacío o vacuómetros.

Marco Teórico Sensores basados en Puente Los

transductores

basados

en

puente

Wheatstone o tensión son una manera común de medir desplazamiento. Los sensores que utilizan este tipo de diseño cumplen con una variedad de requerimientos como precisión, tamaño, costo y robustez. Los sensores de puente son usados para aplicaciones de alta y baja presión y pueden medir presión absoluta, manométrica y diferencial. Los sensores basados en puente usan una galga extensiométrica para detectar

Figura 1. Corte Transversal de un Sensor Típico de Presión Basado en Puente (2016) Obtenido de:

la deformidad de un diafragma sometido a la presión aplicada.

http://www.ni.com/cms/images/devzone /tut/image191836371273590255 9.png

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Un cambio en presión provoca que el diafragma se deforme, correspondiente a un cambio de resistencia de la galga extensiométrica. Esto puede ser medido con un sistema DAQ condicionado. Las galgas extensiométricas de aluminio pueden estar unidas a un diafragma o unidas a un elemento que es conectado mecánicamente al diafragma. Las galgas extensiométricas de silicio también son usadas algunas veces. Al usar este método, los resistores son grabados en un sustrato basado e n silicio y el fluido de transmisión es usado para transmitir la presión desde el diafragma al sustrato.

Fuelles Un fuelle es, básicamente, una serie de diafragmas metálicos conectados entre sí. Cuando está sujeto a la presión de un fluido, un diafragma metálico se distorsionará ligeramente debido a la elasticidad del material usado en su construcción. Al soldar en serie varios diafragmas, el movimiento total del diafragma final puede ser considerable. En muchas ocasiones el fuelle se expande muy poco, pero la fuerza que produce es significativa. Esta técnica se emplea frecuentemente en mecanismos de balance de fuerzas. Para producir una relación lineal entre el desplazamiento del fuelle y la presión aplicada, es práctica común colocar un resorte dentro del fuelle. La utilización de un fuelle con un resorte tiene varias ventajas: el procedimiento de calibración se simplifica, ya que el ajuste se hace únicamente sobre el resorte. Un resorte construido a partir de un material estable presentará estabilidad por un largo tiempo, lo cual es esencial en cualquier componente. Cuando se requiere medir presión absoluta se utilizan mecanismos especiales formados por dos fuelles, uno de los cuales actúa como compensación o referencia. Los fuelles pueden ser metálicos o no metálicos. Los rangos típicos, cuando se utilizan fuelles de bronce o de acero inoxidable, van desde 0 – 100 mm Hg, hasta 0 – 60 in Hg. La mayoría de los fuelles están hechos de tubo sin costura, las circunvoluciones o bien están formadas hidráulica o mecánicamente laminadas. Los materiales utilizados son latón, bronce fosforado, cobre al berilio, monel, acero inoxidable, e inconel.

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Figura 2. Corte transversal de un fuelle. (2015) Obtenido de:

http://www.sapiensman.com/tecn oficio/docs/images2/fuelle .jpg

Manómetro de anillo Este medidor utiliza el efecto del cambio de nivel del fluido manométrico por efecto de la presión junto con un balance de fuerzas ejercidas por el peso del líquido y un contrapeso. Se compone de un anillo tubular en el cual está un líquido manométrico y que posee un contrapeso en la parte inferior. Este anillo puede rotar sobre su centro y posee una aguja que indicará directamente la presión en función del ángulo de rotación del instrumento.

Figura 3. Manómetro de anillo. (2017) Obtenido de:

https://instrumentacionuc.wixsite.com/facultad-ingenieria/en-blanco-cjq1?lightbox=c2v2

En este caso al producirse una diferencia de presión entre los dos lados del manómetro el líquido manométrico se desplaza produciendo una fuerza (F) debido

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al peso del lado de mayor altura de líquido manométrico. Esta fuerza hace rotar el anillo. El contrapeso (W) contrarresta esta fuerza hasta alcanzar una posición de equilibrio como en el caso de una balanza. En ese momento la posición de la aguja indicará directamente en una escala el valor de la presión. Las ecuaciones que rigen el funcionamiento de este sistema son: Peso del líquido = Peso del contrapeso: 𝛾ℎ𝐴𝑟 = 𝑊𝑎 𝛾ℎ𝐴𝑟 = 𝑊𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃 Por otro lado, considerando un gas: 𝑃1 − 𝑃2 = 𝛾𝑚 ℎ Por lo tanto: (𝑃1 − 𝑃2 )𝐴𝑟 = 𝑊𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑃1 − 𝑃2 =

𝑊𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝐴𝑟

Manómetro de campana invertida Este instrumento utiliza el líquido solamente como elemento de sello, mientras que la medida de presión se realiza por un balance de fuerzas entre la presión ejercida por el proceso por el área sobre la cual actúa, la presión de referencia por la misma área y otra fuerza que limita el movimiento como por ejemplo un resorte u otra campana. Este instrumento consta de un tanque en donde se coloca un fluido de sello en el cual se sumerge un vaso o campana en forma invertida dentro del cual actuará la presión del proceso. Al aumentar la presión dentro del vaso este tratará de elevarse por efecto de la fuerza que esta ejerce. Un resorte ubicado en la parte exterior del vaso producirá una fuerza opuesta proporcional al desplazamiento producido en el vaso. Una vez

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que las dos fuerzas en contraposición se encuentren en equilibrio, la posición de una aguja conectada físicamente al vaso indicará el valor de la presión.

Figura 4. Manómetro de campana invertida. (2017) Obtenido de:

https://static.wixstatic.com/media/7 1d6d7_4eb13e53dbc34d54b f22e24ca1556c1a.png/v1/fill /w_512,h_590,al_c,lg_1,q_9 0/71d6d7_4eb13e53dbc34d 54bf22e24ca1556c1a.webp

La ecuación que rige el funcionamiento de este sistema es: Σ𝐹 = 0 𝑃1 𝐴 + 𝑃2 𝐴 − 𝐾𝑥 = 0 𝑃1 − 𝑃2 =

𝐾𝑥 𝐴

Manómetro de tubo en U Este medidor consta de dos tubos transparentes de misma sección transversal que están conectados por su parte inferior, ya sea por un tubo del mismo material o por un material distinto. Dentro del tubo se coloca un líquido de mayor densidad que el fluido del proceso a medir. Para realizar la medición, se conecta uno de los tubos al proceso para medir la presión de este (P1) y el otro tubo se deja a la presión de referencia con respecto a la cual se quiere hacer la medición (P2).

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Figura 5. Manómetro de tubo en U. (2017) Obtenido de:



https://instrumentacionuc.wixsite.com/facultad-ingenieria/en-blancocjq1?fbclid=IwAR29ptWWRFFKzGtsdWrcg-eeOM8EewTX14LABMrp1C0g5fpg9gk24M9QZE&lightbox=c1p2g

Para presiones manométricas, P2 es la presión atmosférica:

Si P1 > P2 se trata de un manómetro de tubo en U Si P1 < P2 se trata de un vacuómetro de tubo en U 

Para presiones absolutas, P2 es el vacío absoluto.



Para presiones diferenciales, P2 es otra presión del proceso.

La medida de presión será directamente proporcional a la diferencia de nivel en los líquidos de los tubos (h), según las relaciones siguientes: 

Para medida de presión de gases (peso despreciable respecto del líquido manométrico): 𝑃1 − 𝑃2 = 𝛾𝑚 ℎ



Para medida de presión en líquidos (peso no despreciable) 𝑃1 − 𝑃2 = (𝛾𝑚 − 𝛾1 )(𝑍 + 𝑌)

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Desarrollo de la Actividad Piezómetro Aunque yo pensaba que era más pequeño y al momento de hacer la práctica demostrativa quedamos sorprendidos de la manera en la que fue implementado al sistema. Al principio el agua que fluía por la tubería estaba a presión baja y muy apenas llenaba el diámetro de la tubería, pero a medida que fue aumentando la presión, el fluido era disparado a mayor velocidad y observamos cómo se elevaba una columna de líquido por la tubería implementada del Piezómetro. Con este instrumento se puede determinar la presión manométrica en el punto donde esté la columna de líquido calculando la presión con el peso específico del fluido y la altura que ocupa su torre de agua. Si bien no realizamos mediciones como parte de la práctica, si notamos una gran incertidumbre en los valores medidos que nos resultaba difícil apreciar el valor certero de altura de líquido. Este y otros factores hacían de este experimento en específico poco fiable para medir la presión manométrica.

Figura 6. Piezómetro. (2019) Obtenido de:

Fuente Propia – Laboratorio de Mecánica de Fluidos.

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Manómetro de tubo de Bourdon Este dispositivo tuene una sustancia que se comprime o esparce al comparar presión del fluido con la de la presión atmosférica y por medio de un juego de engranajes de tamaño reducido se puede desplegar con una flecha más gráfica este resultado de presión medida en las diferentes escalas graduadas que presente el dispositivo.

Figura 7. Manómetro de tubo de Bourdon. (2019) Obtenido de:

Fuente Propia – Laboratorio de Mecánica de Fluidos.

Barómetro de Mercurio

Figura 8. Partes del manómetro de tubo de Bourdon. (2017) Obtenido de:

http://comofunciona.co.com/wpcontent/uploads/2016/12/Comofunciona-un-manometro-deBourdon.png

El barómetro de mercurio mide la presión atmosférica mediante la medida de la altura de una columna de mercurio. El depósito de mercurio está en la parte inferior del barómetro y lleva un tapón para evitar que se derrame al moverlo. En el momento de medir, este tapón debe estar desenroscado para que el aire ejerza presión sobre el depósito. La presión del aire, que depende del tiempo atmosférico que haya en ese momento, es la que eleva la columna de mercurio. Se mencionó en la práctica que este barómetro es muy eficaz ya que no necesita de calibración.

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Figura 9. Barómetro de Mercurio. (2019) Obtenido de:

Fuente Propia – Laboratorio de Mecánica de Fluidos.

Figura 10. Partes del Barómetro de Mercurio. (2017) Obtenido de:

http://comofunciona.co.com/wpcontent/uploads/2016/12/Comofunciona-un-manometro-deBourdon.png

Barómetro Aneroide Este instrumento emplea una caja sellada con una membrana de apariencia similar al látex. Está sellada a cierta presión definida y tiene incorporado en su membrana un pequeño dispositivo de sensibilidad aumentada que capta contracciones o dilataciones de esta membrana causadas por la diferencia entre la presión a la que se selló el dispositivo y la presión atmosférica. Al tener esta especie de aguja que sigue el movimiento de la membrana, se le adecua una representación gráfica en un círculo radial graduado con medidas de presión

correspondientes

a

deformación de la membrana. Figura 11. Barómetro de Aneroide. (2019) Obtenido de:

Fuente Propia – Laboratorio de Mecánica de Fluidos.

la

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Resumen La presión manométrica a la diferencia entre la presión absoluta o real y la presión atmosférica. Se aplica tan solo en aquellos casos en los que la presión es superior a la presión atmosférica, pues cuando esta cantidad es negativa se llama presión de vacío. En el laboratorio solamente observamos cuatro instrumentos de medición y aunque no eran los de última generación, fueron ideales para aprender sobre estos. Y el más preciso en el laboratorio era el barómetro de mercurio. También observamos el manómetro digital, aunque este no funcionaba. Uno de sus principales inconvenientes es que necesita de calibración previa, pero de ahí en fuera, es un buen dispositivo de medición. Los sensores de puente son usados para aplicaciones de alta y baja presión y pueden medir presión absoluta, manométrica y diferencial. Un fuelle es una serie de diafragmas metálicos conectados entre sí. Cuando está sujeto a la presión de un fluido, un diafragma metálico se distorsionará ligeramente debido a la elasticidad del material usado en su construcción. El manómetro de anillo utiliza el efecto del cambio de nivel del fluido manométrico por efecto de la presión junto con un balance de fuerzas ejercidas por el peso del líquido y un contrapeso. El Manómetro de campana invertida es un instrumento que utiliza el líquido solamente como elemento de sello, mientras que la medida de presión se realiza por un balance de fuerzas entre la presión ejercida por el proceso por el área sobre la cual actúa, la presión de referencia por la misma área y otra fuerza que limita el movimiento. Manómetro de tubo en U consta de dos tubos transparentes de misma sección transversal que están conectados por su parte inferior, ya sea por un tubo del mismo material o por un material distinto. Dentro del tubo se coloca un líquido de mayor densidad que el fluido del proceso a medir.

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Reflexión Estos instrumentos si bien parecían tener una fiabilidad alta por su bajo grado de complejidad de funcionamiento y precisión de ensamble requerida resultaron serlo con excepción del dispositivo manómetro de tubo de Bourdon. Por lo menos en nuestro laboratorio, con más incertidumbre pues no se encontraba calibrado y esto causo que las lecturas fueran erróneas. Esto porque era el único instrumento que debía ser calibrado para poder entregar resultados verdaderos y poder trabajar con datos corrector. Otro aparato que también se encontraba con fallas era un manómetro digital, que emplea tarjetas electrónicas y cierto tipo de sensores para poder desplegar o procesar estos valores medidos en diferentes sistemas de unidades. Este aparato se me hizo más moderno y razonable para medir presiones atmosféricas pues la medición no altera el objeto a medir de esta forma y se puede obtener un valor aún más conciso. Aunque no sería el más exacto debido a distintas variables, el más preciso sería el Barómetro de Mercurio, en nuestro laboratorio.

Referencias Mott, Robert L. (2006). Mecánica de fluidos, sexta edición: PEARSON EDUCACIÓN. México. National Instruments (2012). How To Measure Pressure with Pressure Sensors. Obtenido de: ni.com