Definición y Conceptos Fundamentales de Presión

La presión es una magnitud física escalar que mide la fuerza ejercida por unidad de superficie.

Unidades de Presión

La presión puede expresarse en diversas unidades, entre las que se incluyen:

• Pascal (Pa)
• Bar
• Atmósferas (atm)
• Kilogramos por centímetro cuadrado (kg/cm²)
• PSI (libras por pulgada cuadrada)

Observación: En el Sistema Internacional (SI), la unidad de presión normalizada es el Pascal.

Tipos de Presión

Presión Absoluta

Se mide con relación al cero absoluto de presión.

Presión Atmosférica

Es la presión ejercida por la atmósfera terrestre, medida mediante un barómetro.

Presión Relativa (o Manométrica)

Se determina por la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica del lugar de la medición. Al aumentar o disminuir la presión atmosférica, respectivamente, ocurre lo mismo con la presión relativa.

Presión Diferencial

Representa la diferencia entre dos presiones cualesquiera.

Vacío

El vacío se define como la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta. Es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica.

Campos de Aplicación y Clasificación de Medidores de Presión

La aplicación de los instrumentos para medir presión es muy amplia, abarcando desde valores muy bajos (como el vacío) hasta presiones de miles de bar.

Clasificación de Instrumentos de Presión

Estos instrumentos se clasifican principalmente en:

• Mecánicos
• Neumáticos
• Electromecánicos
• Electrónicos

Indicadores de Presión Mecánicos

Se dividen en:

Elementos Primarios de Medida Directa

Miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocidas. Ejemplos incluyen:

• Barómetro de cubeta
• Manómetro de tubo en U
• Manómetro de tubo inclinado
• Manómetro de toro pendular
• Manómetro de campana

Elementos Primarios Elásticos

Estos elementos se deforman por la presión interna del fluido que contienen. Los más empleados son:

• Tubo de Bourdon
• Elemento en espiral
• Elemento helicoidal
• Diafragma
• Fuelle

Descripción de Elementos Elásticos Comunes

Tubo de Bourdon

Consiste en un tubo de sección elíptica, curvado en forma de anillo casi completo y cerrado por un extremo. Al aumentar la presión interna, el tubo tiende a enderezarse, transmitiendo este movimiento a una aguja indicadora mediante un sector dentado y un piñón. Los materiales comunes para el tubo Bourdon son acero inoxidable, aleaciones de cobre o materiales especiales como Hastelloy y Monel.

Elemento en Espiral y Helicoidal

El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común. El elemento helicoidal se forma arrollando el tubo en más de una espira, en forma de hélice. Estos elementos proporcionan un desplazamiento mayor en el extremo libre, lo que los hace ideales para registradores.

Diafragma

Está compuesto por una o varias cápsulas circulares rígidamente conectadas entre sí por soldadura. Al aplicar presión, cada cápsula se deforma, y la suma de los pequeños desplazamientos se amplifica mediante un juego de palancas. Los materiales habituales son aleaciones de níquel o Inconel X. Se utiliza para medir pequeñas presiones.

Fuelle

Similar al diafragma compuesto, pero es una sola pieza flexible que puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable. El material empleado suele ser bronce fosforoso, tratado térmicamente para mantener fija su constante de fuerza por unidad de compresión. Se emplean para medir pequeñas presiones.

Medidores de Presión Absoluta y Transductores

Medidores de Presión Absoluta

Consisten en un conjunto de fuelle y muelle opuesto a un fuelle sellado al vacío absoluto. El movimiento resultante de la unión de ambos fueles equivale a la presión absoluta del fluido. Los materiales empleados son latón o acero inoxidable. Se utilizan para la medida exacta y el control preciso de bajas presiones, especialmente cuando las variaciones de la presión atmosférica podrían afectar la medición.

Transductores de Presión Mecánicos (Equilibrio de Fuerzas)

En su forma más sencilla, consisten en una barra rígida apoyada en un punto sobre la que actúan dos fuerzas en equilibrio:

• La fuerza ejercida por el elemento mecánico de medición (ej. tubo de Bourdon, espiral, fuelle).
• La fuerza electromagnética de una unidad magnética.

Su precisión es del orden de 0.5% a 1%.

Transductores Electrónicos de Presión

Estos también se basan en el principio de equilibrio de fuerzas, caracterizándose por un movimiento muy pequeño de la barra de equilibrio. Poseen retroalimentación, buena elasticidad y un alto nivel en la señal de salida. Su precisión es del orden de 0.5% a 1%.

Elementos Electromecánicos y Electrónicos de Presión

Elementos Electromecánicos de Presión

Utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal correspondiente. El elemento mecánico (tubo de Bourdon, espiral, hélice, diafragma, fuelle o una combinación) convierte la presión en una fuerza o desplazamiento mecánico a través de un sistema de palancas.

Clasificación de Elementos Electromecánicos de Presión

• Transmisores Electrónicos de Equilibrio de Fuerzas: Un elemento elástico (ej. tubo de Bourdon) varía la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión.
• Resistivos: Su señal de salida es lo suficientemente potente para operar instrumentos de indicación sin amplificación. Existen dos tipos principales:
  • Transductores de Inductancia Variable: El desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta su inductancia proporcionalmente a la porción metálica del núcleo contenida en ella.
  • Transductores de Reluctancia Variable: Un imán permanente o electroimán crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético, generando una corriente inducida en la bobina proporcional al desplazamiento de la armadura.
• Capacitivos: Se basan en la variación de capacidad de un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión. Son de pequeño tamaño y construcción robusta, adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil y requiere amplificadores, lo que puede introducir errores.
• Extensométricos (Strain Gage): Se basan en la variación de resistencia de un hilo cuando este se somete a tensión mecánica por acción de la presión (cambio en longitud y diámetro). Forman parte de un puente de Wheatstone.
  • Galga Cementada: Formada por bucles de hilo muy fino pegados a una base de cerámica, papel o plástico.
  • Galgas sin Cementar: Los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial.
• Piezoeléctricos: Utilizan materiales cristalinos (como cuarzo o titanato de bario) que generan una señal eléctrica al deformarse físicamente por la acción de la presión. Pueden soportar temperaturas de 150°C a 230°C. Son ligeros, de pequeño tamaño y construcción robusta.

Medición de Alto Vacío

Elementos Electrónicos de Vacío

Estos transductores se emplean para la medida de alto vacío y son muy sensibles.

Clasificación de Elementos Electrónicos de Vacío

• Mecánicos: Fuelle y diafragma.
• Medidores Térmicos (ej. Pirani): Basados en la disipación de calor de un filamento.
• Medidores de Ionización: Utilizan un haz de electrones para ionizar las moléculas del gas residual. Se subdividen en:
  • Filamento caliente
  • Cátodo frío
  • Radiación

Transductores Mecánicos de Fuelle y Diafragma para Vacío

Trabajan de forma diferencial entre la presión atmosférica y la del proceso. Están compensados respecto a la presión atmosférica y calibrados a presiones absolutas. Pueden acoplarse a transductores eléctricos como galgas extensométricas o capacitivos.

Medidor McLeod

Utilizado como aparato de precisión para la calibración de otros instrumentos. Se basa en comprimir una muestra de gas de gran volumen conocido a un volumen menor y mayor presión mediante una columna de mercurio en un tubo capilar.