Fundamentos de ingeniería: manómetros y caudalímetros

Descarga este artículo en formato . PDF

La mayoría de los manómetros utilizados para medir la presión tienen una cosa en común: la presión que se mide es la única fuente de energía necesaria para proporcionar una indicación visual de la presión estática. Alguna forma de cavidad elástica dentro de la caja convierte la presión en movimiento, lo que se traduce mediante enlaces, palancas y engranajes apropiados en el movimiento de las manos en la escala indicada. Tres tipos de cámaras elásticas se utilizan comúnmente en la instrumentación de sistemas de energía de fluidos:

  • Tubos de Bourdon en C, Espiral y Espiral
  • fuelles, y
  • Pilas de cápsulas individuales y multicápsulas.

Diseño de tubo de Bourdon

Desde la invención del manómetro de tubo de Bourdon hace más de un siglo, los fabricantes de manómetros han estado desarrollando diferentes tipos de manómetros para satisfacer necesidades específicas sin cambiar los fundamentos por los que funciona el tubo de Bourdon. Los manómetros de tubo Bourdon (Figura 1) ahora se usan comúnmente para medir una variedad de presiones manométricas, absolutas, selladas y diferenciales, y vacío.

Se fabrican con una precisión de hasta el 0,1 % del intervalo, con diámetros de cuadrante que van desde 11/2a 16 pulgadas. Varios accesorios pueden ampliar su rendimiento y utilidad. Por ejemplo, se pueden instalar amortiguadores y aisladores de medidores para proteger el sensible funcionamiento interno del medidor de los picos de presión. Los manómetros de tubo Bourdon se pueden adaptar a necesidades específicas, combinados con su robustez, simplicidad y bajo costo inherentes, lo que los hace ampliamente utilizados en muchas aplicaciones.

La instrumentación que utiliza un tubo de Bourdon en forma de C como cámara elástica (el tipo que se muestra en la Figura 1) es, con mucho, la más común. El fluido presurizado ingresa al vástago en la parte inferior (a veces se cambia al montaje central) y al tubo de Bourdon. El tubo tiene una sección transversal plana y está sellado en su punta. Cualquier presión en el tubo que exceda la presión externa (generalmente atmosférica) hace que el tubo de Bourdon cambie elásticamente su forma, haciéndolo más redondo en sección transversal.

Este cambio en la forma de la sección transversal tiende a enderezar la forma de C del tubo de Bourdon. Con el extremo inferior del vástago fijo, el enderezamiento hace que la punta del otro extremo se mueva una pequeña distancia:1/dieciséisa1/2pulgadas, dependiendo del tamaño del tubo. El movimiento mecánico luego transmite este movimiento de la punta al tren de engranajes, que gira la manecilla indicadora en la escala para mostrar la presión aplicada. A menudo, el movimiento se combina para proporcionar una ventaja mecánica para multiplicar el movimiento relativamente corto de la punta del tubo.

Los tubos de Bourdon también se pueden fabricar en forma helicoidal (Fig. 2) o helicoidal (Fig. 3). Cada uno utiliza un tubo largo y plano para proporcionar un mayor recorrido de la punta. Esto no cambia el funcionamiento del tubo de Bourdon, pero produce un movimiento de punta igual a la suma de los movimientos individuales producidos por cada parte de la hélice o hélice considerada como una forma de C. Se pueden fabricar hélices y espirales de diámetro pequeño para proporcionar suficiente movimiento para conducir el puntero directamente a través de un arco de hasta 270° sin el uso de movimiento multiplicador. Alternativamente, pueden fabricarse para usarse junto con movimientos de multiplicación. En este caso, el movimiento requerido se distribuye en varias vueltas, reduciendo la tensión en el material de Bourdon.

Fuelles y Diafragmas

Las aplicaciones de baja presión no generan suficiente fuerza en el tubo de Bourdon para operar el mecanismo de multiplicación;Por lo tanto, los manómetros de tubo Bourdon generalmente no se usan para intervalos de presión inferiores a 12 psi. Para estos rangos, se deben utilizar otras formas de cámaras elásticas, como fuelles metálicos, Figura 4. Estos fuelles suelen estar hechos de tubos de paredes delgadas. Sin embargo, para una vida de fatiga razonable y un movimiento más lineal con presión, el resorte helicoidal complementa la tasa de resorte inherente del fuelle. Estos manómetros de fuelle cargados por resorte se usan típicamente en rangos de presión que abarcan 100 psi y 1 pulgada de Hg.

Los diafragmas metálicos también se utilizan como cámaras elásticas para manómetros de baja presión. La placa del diafragma está hecha de una lámina de metal delgada como una copa poco profunda con ondulaciones concéntricas. Para fabricar elementos con tasas de resorte bajas, con deflexión significativa a través de pequeños cambios de presión, se pueden soldar dos placas en el perímetro para formar una cápsula, y se pueden unir cápsulas adicionales en sus centros para formar una pila, Figura 5.

Por lo general, la presión medida se aplica dentro del elemento sin el uso de un resorte helicoidal auxiliar. Una cápsula de 2″ de diámetro (dos placas) proporcionará aproximadamente 0,060″ de movimiento sin exceder el límite elástico del material. Esto suele ser suficiente para el movimiento multiplicativo de alta relación, ya que la desviación del diafragma puede transmitir grandes fuerzas.

Los elementos de diafragma se usan comúnmente en manómetros para indicar la presión absoluta. De esta forma, el elemento de diafragma es evacuado. Sellado e instalado en una habitación cerrada. Se permite que la presión a medir entre en la cámara cerrada y rodee el elemento del diafragma. Las variaciones en la presión medida hacen que el elemento se desvíe, pero dado que se excluye la presión atmosférica, no tiene efecto en la indicación, por lo que el manómetro se puede calibrar contra la presión absoluta. Si la presión aplicada es la presión atmosférica, el manómetro se llama barómetro.

Los elementos de diafragma también se pueden utilizar para disposiciones opuestas. Al evacuar un lado del conjunto, el manómetro puede indicar la presión absoluta. Si se aplica presión a un lado del conjunto y se aplica una segunda presión al otro lado, se indicará la presión diferencial. La presión diferencial está limitada en relación con la presión estática que se puede aplicar. Es decir, un manómetro puede ser adecuado para indicar entre 10 psi y 12 psi, pero no para indicar entre 100 psi y 102 psi. Además, se deben considerar las consecuencias de aplicar inadvertidamente toda la presión a un lado del elemento y ninguna presión al otro lado del elemento.

elegir

Especificar un manómetro implica muchas consideraciones:

  • Tamaño de la conexión: el tamaño nominal, rosca macho o hembra, del puerto o accesorio al que se enroscará el manómetro y el tamaño de la rosca.
  • Configuraciones de montaje: montaje en poste central inferior o posterior o montaje en panel
  • Tamaño de la esfera: lo suficientemente grande para ser visto desde la distancia, pero lo suficientemente pequeño para evitar ocupar demasiado espacio
  • Unidades de medida: determina si el dial debe calibrarse en psi, bar, kPa, etc. Muchos fabricantes ofrecen medidores con escalas bidimensionales
  • Materiales de construcción: los medidores pueden tener cristales de vidrio o plástico, carcasas de metal o plástico, generalmente conexiones de latón. Asegúrese de que los materiales sean compatibles con el medio ambiente y los fluidos.
  • Secos o llenos de líquido: los manómetros llenos de líquido a menudo contienen glicerina para mitigar los efectos de golpes y vibraciones y para proporcionar una lubricación continua al movimiento para una vida útil prolongada, y
  • Rango de presión: como regla general, elija un manómetro con una lectura de presión máxima del doble de la presión medida esperada. Esto proporciona un margen de seguridad para evitar que las pulsaciones temporales de alta presión o los picos dañen el medidor.

Opciones y Accesorios

Hay disponible una variedad de opciones y accesorios para mejorar la vida útil y el funcionamiento del medidor. Las lecturas digitales se logran montando galgas extensiométricas en el elemento sensor y utilizando componentes electrónicos integrados para convertir la tensión inducida por la presión en lecturas digitales en un panel LED o LCD. Los medidores digitales requieren una fuente de alimentación, generalmente una batería de larga duración, y pueden usar un interruptor, por lo que la energía solo se consume cuando se presiona un botón para leer la presión.

Se instala un aislador de medidor entre el medidor y el circuito para evitar que el medidor quede expuesto a la presión del fluido a menos que se presione un botón. De esta forma, el manómetro no se ve afectado por picos de presión y pulsaciones a menos que se produzcan al leer la presión.

Un orificio o amortiguador protege el manómetro eliminando las fluctuaciones de presión vistas por el manómetro. Los amortiguadores pueden causar una respuesta lenta del medidor, pero pueden prolongar la vida al amortiguar las rápidas fluctuaciones de presión. Para ayudar a proteger el medidor de golpes físicos externos, existen protectores de caja que encapsulan el medidor en goma.

Los fabricantes ofrecen una variedad de otras opciones útiles, como un interruptor de presión ajustable integrado, para que el manómetro sea más versátil.

A diferencia de los manómetros, que se han instalado permanentemente en la gran mayoría de los sistemas hidráulicos y neumáticos durante décadas, los medidores de flujo se siguen utilizando principalmente para realizar pruebas para evaluar el rendimiento del sistema, Figura 6. Los sistemas que requieren un monitoreo continuo del flujo a menudo usan sensores de flujo electrónicos en lugar de medidores de flujo, que no requieren una fuente de alimentación.

Los sensores de flujo electrónicos utilizan varios elementos de detección (turbinas, cámaras de desplazamiento positivo, mediciones de presión diferencial, etc.) para generar señales electrónicas que son proporcionales o representan el flujo. Esta señal luego se enruta a un panel de visualización electrónico o circuito de control. Sin embargo, los sensores de flujo en sí mismos no producen una indicación visual del flujo, sino que requieren una fuente de alimentación externa para transmitir la señal a una pantalla analógica o digital.

Los medidores de flujo independientes, por otro lado, se basan en la dinámica del flujo para proporcionar una indicación visual del flujo. Aunque los detalles de diseño varían según el fabricante, los medidores de flujo funcionan con presión dinámica. Los componentes principales son el eje cónico y el pistón accionado por resorte, Figura 7.

En ausencia de flujo de fluido, el resorte impulsor empuja el pistón hacia la posición más a la izquierda. Cuando el fluido entra por la izquierda, la presión actúa sobre el resorte y abre el orificio formado entre el diámetro interior del pistón y el diámetro exterior del eje cónico empujando el pistón hacia la derecha. A medida que el pistón se empuja más hacia la derecha, el área del orificio aumenta porque el área efectiva del eje cónico disminuye. Eventualmente, el área del orificio será lo suficientemente grande como para que la presión dinámica del flujo sea igual a la fuerza opuesta del resorte. La posición en la que el pistón está en equilibrio proporciona una indicación del flujo.

Para algunas aplicaciones, el caudal se puede medir directamente comparando la posición del pistón con una escala calibrada marcada en la carcasa transparente del caudalímetro. Sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones hidráulicas, el pistón suele estar incrustado con un imán que mueve el collarín impulsado. Luego, la posición del collar se puede comparar con la escala calibrada.

Debido a que la indicación de flujo depende de la dinámica de fluidos, los cambios en las propiedades físicas del fluido pueden afectar las lecturas. Esto se debe a que los medidores de flujo están calibrados para fluidos con una gravedad específica en un rango de viscosidades. Grandes desviaciones en la temperatura pueden cambiar la gravedad específica y la viscosidad del fluido hidráulico, por lo que si se usa el medidor de flujo cuando el fluido está muy caliente o muy frío, es posible que la lectura del flujo no cumpla con las especificaciones del fabricante. Sin embargo, dado que la mayoría de los dispositivos se prueban en condiciones de funcionamiento, las lecturas generalmente deben estar dentro de las especificaciones de precisión del fabricante.

error: Content is protected !!