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MEDICIÓN DE PRESIÓN: Características, Tecnologías y Tendencias




Introducción

La medición y el control de presión son las variables de proceso más usadas en los más distintos sectores de  la industria de control de procesos. Además, a través de la presión se puede inferir fácilmente una serie de otras variables, tales como, nivel, volumen, flujo y densidad. En este artículo comentaremos las principales características de las tecnologías más importantes utilizadas en sensores de presión, y también algunos detalles sobre instalaciones, mercado y tendencias de los transmisores de presión.  

 

La Mediciónde Presión y un Poco de Historia

La medición de presión atrae el interés de la ciencia hace mucho tiempo. En fines del siglo XVI, el italiano Galileo Galilei (1564-1642)  obtuvo patente por un sistema de bomba de agua utilizada en la irrigación. En 1592, usando solamente un tubo de ensayo y una cuenca con agua, Galileo montó el primer termómetro. El volcó un tubo con la boca hacia abajo, semisumergido en el líquido. Así, cuando el aire en el interior del tubo enfriaba, el volumen aumentaba y el agua era empujada hacia afuera. El nivel del agua, por lo tanto, medía la temperatura del aire. El núcleo de su bomba era un sistema de succión que el descubrió tener la capacidad de elevar el agua en el máximo 10 metros. El no descubrió la causa de este límite, lo que llevó otros cientistas a estudiar el fenómeno.

En 1643, el físico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) desarrolló el barómetro. Este aparato calculaba la presión atmosférica, o sea, la fuerza del aire sobre la superficie de la tierra. El hizo una experiencia llenando un tubo de 1 metro con mercurio, sellado en uno de las extremidades y sumergido en una tina con mercurio en la otra. La columna de mercurio invariablemente bajaba hasta alrededor de 760 mm en el tubo. Sin saber la razón del fenómeno, el lo atribuyó a una fuerza existente en la superficie terrestre. Torricelli concluyó también que el espacio dejado por el mercurio en el inicio de la experiencia no contenía nada y lo llamó de “vacuum” (vacío).

Cinco años más tarde, el francés Blaise Pascal usó el barómetro para mostrar que en el alto de las montañas la presión de aire era más pequeña.

En 1650, el físico alemán Otto Von Guericke creó la primera bomba de aire eficiente, con la cual Robert Boyle realizó experimentos sobre compresión y descompresión y después de 200 años, el físico y químico francés, Joseph Louis Gay-Lussac, comprobó que la presión de un aire confinado a un volumen constante es proporcional a su temperatura.

En 1849, Eugène Bourdon recibió la patente por el Tubo de Bourdon, utilizado hasta hoy en mediciones de presiones relativas. En 1893, E.H. Amagat utilizó el pistón de peso muerto en mediciones de presión.

Figura 1 – Tubo de Bourdon

Figura 1 – Tubo de Bourdon


 

Figura 2 – Los hombres que hicieron la historia de la medición de presión.

Figura 2 – Los hombres que hicieron la historia de la medición de presión. 


 

En las últimas décadas, con el advenimiento de la tecnología digital, una enorme variedad de equipos se esparció por el mercado en diversas aplicaciones. La caracterización de presión solo tuvo su real valor reconocido a partir del momento en que logramos traducirla en valores mensurables.

Todo sistema de medición de presión es constituido por un elemento primario, lo cual estará en contacto directo o indirecto con el proceso donde ocurren los cambios de presión y por un elemento secundario (el transmisor de presión) que tendrá la tarea de traducir este cambio en valores mensurables para uso en indicación, monitoreo y control.

 

Princípios Básicos de la Medición de Presión

Veamos el concepto de Presión Estática. Tomemos como base la figura 3, donde hay un recipiente con un líquido que ejerce una presión en determinado punto proporcional al peso del líquido y a distancia desde el punto a la superficie. El principio de Arquímedes dice: un cuerpo sumergido en un líquido queda sujeto a una fuerza, conocida por empuje, igual al peso del líquido desplazado. Por ejemplo, con base en este principio, se puede determinar el nivel, con el uso de un flotador sometido al empuje de un líquido, transmitiendo este movimiento a un indicador, a través de un tubo de torque. El medidor debe tener un dispositivo de ajuste de densidad del líquido, cuyo nivel está siendo medido, pues el empuje varía según la densidad.

La presión estática P se define como la razón entre la fuerza F, aplicada perpendicularmente a una superficie de área A: P = F/A [N/ ,2].

 Figura 3 – Presión en un punto P sumergido

 Figura 3 – Presión en un punto P sumergido

Figura 4 – Presión en un cuerpo sumergido
Figura 4 – Presión en un cuerpo sumergido

 

 

Dado un paralelepípedo, según la figura 4, donde se tiene el área del lado A y largura L, la presión en su cara superior y su cara inferior es dada respectivamente por PD = hρg e PU = (h + L) ρg. La presión resultante sobre el mismo es igual a PU - PD = Lpg. La presión que ejerce una fuerza perpendicular a la superficie del fluido se llama presión estática. El principio de Pascal dice que cualquier aumento de presión en el líquido se transmitirá igualmente a todos los puntos del líquido. Se usa ese principio en los sistemas hidráulicos (por ejemplo, los frenos de los autos) y se ilustra por la figura 5. En otras palabras: las fuerzas aplicadas tienen intensidad proporcional a las áreas respectivas.

Téngase aún en cuenta la Ley de Stevin (1548 - 1620): en un fluido homogéneo e incompresible equilibrado bajo la acción de la gravedad, la presión crece linealmente con la profundidad; la diferencia de presión entre dos puntos es igual al producto del peso específico del fluido por la diferencia de nivel entre los puntos considerados.

Figura 5 – La presión es perpendicular a la superficie y las fuerzas aplicadas tienen intensidad proporcional a las respectivas áreas.
Figura 5 – La presión es perpendicular a la superficie y las fuerzas aplicadas tienen intensidad proporcional a las respectivas áreas.

 

 

Veamos ahora la presión ejercida por fluidos en movimiento en la sección transversal de un tubo. Tomemos la figura 6, donde:

F1 = fuerza aplicada a la superficie A1
P1 = razón entre F1 y A1;
ΔL1 = distancia desplazada por el fluido;
v1 = velocidad de desplazamiento;
h1 = altura relativa a la referencia gravitacional

y

F2 = fuerza aplicada a la superfície A2
P2 = razón entre F2 y A2;
ΔL2 = distancia desplazada por el fluido;
V2 = velocidad  de desplazamiento;
h2 = altura relativa a la referencia gravitacional

Figura 6 – Ecuación de Bernoulli – Presión ejercida por los fluidos en movimiento en la sección transversal de un tubo.

Figura 6 – Ecuación de Bernoulli – Presión ejercida por los fluidos en movimiento en la sección transversal de un tubo.


 

Suponiéndose un fluido ideal, sin viscosidad, se sabe que el se desplaza sin atritos y por lo tanto sin pérdida  de energía. El trabajo resultante de las fuerzas que actúan en un sistema es igual a la variación de la energía cinética, teorema trabajo-energía. Con esto, tenemos:

P1+ (1/2) ρ.v12 + ρ. g . h1 = P2 + (1/2)ρ. v22 + ρ. g . h2

Esta es la ecuación de Bernoulli que comprueba que la suma de las presiones a lo largo de un tubo es siempre constante para un sistema ideal. Lo interesante es que aquí se pueden reconocer las siguientes presiones:

  •  P1= Pressión Aplicada
  • (1/2) ρ.v12 = Presión Dinámica
  • ρ.g. h1Presión Estática 

 

Reorganizandoesa relación llegamos a la ecuación:

 

Esa relación es muy útil para el cálculo de la velocidad del fluido, dadas la presión de impacto y la presión estática. A partir de esa relación, se puede calcular, por ejemplo, el flujo del fluido: 

 

Donde C = flujo real/flujo teórico

Los valores de C son resultados experimentales y para cada tipo de elemento deprimógeno y sistema de toma de impulso, C varía según el diámetro (D) de la pipería, del número de Reynolds (Rd) y de la relación

de diámetros referentes a la sección A1 y A2 ()
 

C = f (D,Rd,β)

 

 Unidades de Presión en el Sistema Internacional (SI)

El Pascal [Pa] es la unidad de presión del Sistema Internacional de Unidades (SI).

Un Pa es la presión generada por la fuerza de 1 Newton actuando sobre una superficie de 1 metro cuadrado a Pa = N/m2.

La tabla 1 muestra las principales unidades y la conversión de las mismas.

 

 

inH2O @20oC

atm

bar

kPa

kgf/cm2

mmH2O @20oC

mmHg @0oC

inHg @32oF

psi

inH2O @20oC

1

0,0025

0,00249

0,24864

0,00254

25,4000

1,86497

0,07342

0,03606

atm

407,513

1

1,01325

101,325

1,03323

10350,8

759,999

29,9213

14,6959

bar

402,185

0,98692

1

100,000

1,01972

10215,5

750,062

29,5300

14,5038

kPa

4,02185

0,00987

0,01000

1

0,01020

102,155

7,50062

0,29530

0,14504

kgf/cm2

394,407

0,96784

0,98066

98,0662

1

10017,9

735,558

28,9590

14,2233

mmH2O @20oC

0,03937

0,00010

0,00010

0,00979

0,00010

1

0,07342

0,00289

0,00142

mmHg @0oC

0,53620

0,00132

0,00133

0,13332

0,00136

13,6195

1

0,03937

0,01934

inHg @ 32oF

13,6195

0,03342

0,03386

3,38638

0,03453

345,935

25,4000

1

0,49115

psi

27,7296

0,06805

0,06895

6,89475

0,07031

704,333

51,7149

2,03602

1

 
 

Tipos más usuales de medición de presión

En función de la referencia se puede clasificar la medición de presión como: manométrica, absoluta y diferencial o relativa. Tomemos la figura 7 como referencia:

Figura 7 – Referencias de Presión y tipos más usuales.

Figura 7 – Referencias de Presión y tipos más usuales.
 

 

  • Presión absoluta: se mide con relación al vacío perfecto, o sea, es la diferencia de la presión en un cierto punto de medición por la presión del vacío (cero absoluto). Normalmente cuando se indica esta grandeza se usa la notación ABS. Ex.: La presión absoluta que la atmósfera ejerce a nivel del mar es de 760mmHg.
  •  Presión diferencial: es la diferencia de presión medida entre dos puntos. Cuando se toma cualquier punto distinto del vacío o atmósfera como referencia se dice medir la presión diferencial. Por ejemplo, la presión diferencial ubicada en una placa de orificio.
  • Presión manométrica (gauge): es medida en relación a la presión del ambiente en relación a la atmósfera. Osea, es la diferencia entre la presión absoluta medida en un punto cualquier y la presión atmosférica. Es siempre importante anotar que la medición es relativa. Ejemplo: 10Kgf/cm2 Presión Relativa.

 Note que la presión manométrica es dada por la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica.

 

 Sensores utilizados en la medición de presión

Por lo general los sensores se clasifican según la técnica utilizada en la conversión mecánica de la presión en una señal electrónica proporcional. Todas las tecnologías tienen un solo objetivo, que es transformar la presión aplicada en un sensor en señal electrónica proporcional a la misma:

  • Capacitancia Variable (Capacitivos)
  • Piezo-resistivo (Strain Gauge)
  • Potenciométrico
  • Piezo-eléctrico
  • Reluctancia Variable
  • Resonante
  • Óptico 
  • Otros 

 

1) Piezo-resistivo o Strain Gage

La piezo-resistividad se refiere al cambio de la resistencia eléctrica con la deformidad/contracción como resultado de la presión aplicada. En su gran mayoría son formados por elementos cristalinos (strain gage) interconectados en puente (wheatstone) con otros resistores que suministran el ajuste de cero, la sensibilidad y la compensación de temperature. El material de construcción varía según el fabricante y actualmente son comunes los sensores de estado sólido.

Desventajas: banda limitante de temperatura operativa, aplicable en bandas de presión baja por generaren una señal muy baja de excitación, muy instable.

Actualmente existe el llamado “Film Transducer”, lo cual es construido con la deposición de vapor o la inyección de elementos strain gage directamente en un diafragma, lo que minimiza la instabilidad debida al uso de adhesivos en las ligas de los modelos “Bonded Wire”. La gran ventaja es que produce una señal electrónica de nivel más alto, pero que en altas temperaturas son totalmente vulnerables, pues la temperatura afecta el material adhesivo utilizado al pegar el silicio al diafragma.

Diversas técnicas basadas en la fabricación de sensores de silicio piezo-resistivo (silicon substrate) vienen surgiendo, pero sus señales son susceptibles a degradación debido a la temperatura y exigen circuitos complicados para compensación, minimización del error y sensibilidad del cero. Son totalmente inviables en aplicaciones sujetas a altas temperaturas por largos períodos, pues la difusión degrada los substratos en temperaturas muy altas.

Figura 8 – Sensor Piezo-Resistivo

Figura 8 – Sensor Piezo-Resistivo  

 

 

2) Piezo-eléctrico

El material piezo-eléctrico es un cristal que produce una tensión diferencial proporcional a la presión aplicada a el en sus caras: quartzo, sal deRochelle, titanio de bario, turmalina etc. Este material acumula cargas eléctricas en ciertas áreas de su estructura cristalina, cuando sufren una deformidad física, por acción de una presión. La piezo-electricidad fue descubierta por Pierre y Jacques Curie en 1880.

 La relación entre la carga eléctrica y la presión aplicada al cristal es prácticamente lineal:

    q = Sq x Ap  
    p - presión aplicada, A - área del electrodo, Sq – sensibilidad,
   q - carga eléctrica, C – capacidad  del  cristal, Vo - tensión de salida

Figura 9a - Sensor Piezo-Eléctrico
Figura 9a - Sensor Piezo-Eléctrico

 

Figura 9b – Sensor Piezo-Eléctrico

Figura 9b – Sensor Piezo-Eléctrico

 

 

3) Resonantes

Poseen en general el principio de la tecnología conocida como “vibrating wire”. Un resorte de hilo magnético es anejada al diafragma que, al ser sometido a un campo magnético y ser recorrido empieza a oscilar. La frecuencia de oscilación  es proporcional al cuadrado de la tensión (expansión/compresión) del hilo. En el sensor de Silicio Resonante no se usa hilo pero el silicio para resonar con diferentes frecuencias que son funciones del tipo 1/f2 de la expansión/compresión. El sensor es formado por una cápsula de silicio ubicada en un diafragma que vibra al se aplicar un diferencial de presión y la frecuencia de vibración depende de la presión aplicada. Algunos sensores resonantes necesitan técnicas de compensación de temperatura vía hardware/software complicadas, aumentando el número de componentes, lo que significa más placas electrónicas en algunos equipos..

 

4) Capacitivos

Estos son los sensores más confiables y que fueran usados en millones de aplicaciones. Se basan en transductores donde la presión aplicada a diafragmas sensores produce una variación de la capacitancia entre ellos y un diafragma central, por ejemplo. Esta variación es usada principalmente para variar la frecuencia de un oscilador o usada como elemento de un puente de capacitares. Esta variación de capacitancia es usada para variar la frecuencia de un oscilador. La frecuencia puede medirse directamente por la CPU y convertida en presión. En este caso no existe conversión A/D, lo que contribuye a la exactitud y a la eliminación de drifts embutidos en las conversiones analógicas y digitales. Téngase en cuenta que este principio de lectura totalmente digital es utilizado por Smar desde la década de 80, como la única compañía brasileña y una de las pocas en el mundo a fabricar este tipo de sensor. Poseen respuestas lineales prácticamente insensibles a variaciones de temperatura, siendo los más indicados a instrumentación y control de procesos por su excelente performance en estabilidad, temperatura y presión estática. Algunas de sus ventajas son:

  • Ideales para aplicaciones de baja y alta presión.
  • Minimizan el Error Total  Probable y consecuentemente la variabilidad  del proceso.
  • Ideales para aplicaciones de flujo.
  • Por su  respuesta lineal, permite alta flexibilidad y exactitud.

Figura10 – Ejemplo de construcción de sensor capacitivo.

Figura10 – Ejemplo de construcción de sensor capacitivo.
 

 

5) Ópticos– Son todavía poco divulgados pero la evolución de la fibra óptica posee marcos expresivos:

  • Fue inventada en 1952 por el físico indiano Narinder Singh Kanpany.
  • 1970: Corning Glass produjo algunos metros de fibra óptica con pérdidas de 20 db/km.
  • 1973: Un enlace telefónico de fibras ópticas fue producido en los EE.UU./
  • 1976: Bell Laboratories instaló un enlace telefónico en Atlanta, GA, de 1 km y probó ser la fibra óptica prácticamente posible para telefonía.
  • 1978: La fabricación de fibras ópticas comienza en varios puntos del mundo con pérdidas inferiores a 1,5 dB/km.
  • 1988: Primer cable submarino de fibras ópticas sumergió en el océano e inició la supercarretera de la información.
  • 2004: La fibra óptica mueve alrededor de 40 mil millones de dólares anuales.
  • 2007: La fibra óptica brasilera cumple 30 años y el mercado de sensores de fibra óptica de las Américas movió 237 millones de dólares.
  • 2014: La estimativa de facturación de sensores de  fibra óptica para este año es de 1,6 mil millones de dólares en el mercado americano.

La sensibilidad de los sensores de fibra, o sea, el disturbio menos intenso que se puede medir puede depender de:

  • Variaciones infinitesimales en algún parámetro de caracterización de la fibra óptica usada cuando la fibra es el propio elemento sensor;
  • Cambios en las propiedades de la luz usada, cuando la fibra es el canal a través del cual la luz va y vuelve desde el sitio bajo prueba.

Los sensores a fibras ópticas son compactos y presentan sensibilidad comparable a los similares convencionales. Los sensores de presión son construidos con una membrana móvil en una de las extremidades de la fibra. Algunas ventajas de estos sensores son: alta sensibilidad, tamaño reducido, flexibilidad y resistencia, poco peso, larga vida útil, larga distancia de transmisión, baja reactividad química del material, son ideales para funcionar en ambientes de alta tensión, inmunidad electromagnética, señales multiplexados, o sea, una única fibra puede producir docenas de instrumentos, y puede medir vibración, presión, temperatura, flujo multifásico, deformación, etc.

Una técnica utilizada en la construcción de sensores ópticos es el Interferómetro Fabry-Perot, un dispositivo usado por lo general en mediciones de larguras de ondas con alta precisión, donde esencialmente dos espejos parcialmente reflectores de vidrio o cuarzo se alinean y se obtiene el contraste máximo y mínimo  de franjas entre ellos por variación mecánica. Esta variación de distancia también   podría generarse por presión y, con eso, tendríamos un sensor de presión.

Figura 11 – Sensor de Presión con el Principio de Fabry-Perot.

Figura 11 – Sensor de Presión con el Principio de Fabry-Perot.


 

Equipos Industriales para Medición de Presión

Entre los distintos equipos utilizados en la industria para medir presión se subrayan dos: el manómetro y el transmisor de presión.

El manómetro es usado para lectura de presión y tienen normalmente una conexión al proceso y un display (cuando electrónico) o puntero (cuando mecánico) para que se pueda leer la presión localmente. Por lo general son dispositivos de bajo costo y se usan cuando la presión no necesita transmitirse a un sistema de control y también no se necesita de exactitud. Por ejemplo, presión estática, presión de bomba, etc. Existen también modelos diferenciales, vacuómetros, sanitarios, etc. 

Figura 121 – Ejemplos de manómetros.
Figura 12 – Ejemplos de manómetros.


 

Un transmisor de presión inteligente reúne la tecnología de sensor a su propia electrónica.

Típicamente debe proveer las siguientes características:

  • Señal digital de salida;
  • Interfaz de comunicación digital (HART/4-20mA, Foundation Fieldbus, Profibus-PA);
  • Compensación de presión y temperatura;
  • Estabilidad;
  • Debe permitir calibración fácil;
  • Re-rangecon y sin referencia;
  • Autodiagnósticos;
  • Fácil instalación y calibración;
  • Alta confiabilidad;
  • Bajos costos y tiempos cortos de instalación y mantenimiento;
  • Reducción de intrusión/penetración (proceso);
  • Ahorro de espacio en la instalación;
  • Permitir actualización para la tecnología Foundation Fieldbus y Profibus PA;
  • Recursos de interfaz EDDL y FDT/DTM;
  • Protector de transientes, sin polaridad de alimentación;
  • Traba física para transferencia de custodia, etc.

Algunos puntos que necesitan la atención de los usuarios para no pagar más por algo que no van a usar o que su aplicación no necesita:

  • Exactitud & Rangeabilidad: si hay necesidad de equipos con tales requisitos, examinen las fórmulas de exactitud y vean que la exactitud no es divulgada en toda la banda. Vean también otras características, tales como el tiempo de respuesta, totalización, bloque de PID, etc, que pueden ser más útiles en sus aplicaciones.
  • Protección a la inversión:verifiquen el precio de los repuestos, la intercambialidad entre modelos, la simplicidad de especificación, actualización para otras tecnologías (Fieldbus Foundation, Profibus PA), suministro de servicios, soporte técnico, plazo de reposición, etc. Estos son factores que pueden perjudicar la disponibilidad de la fábrica. 

Figura 13 – LD400 – Transmisor de Presión HART/4-20mA con sensor capacitivo,placa electrónica única, alta performance (el transmisor con el mejor tiempo de respuesta del mercado).

Figura 13 – LD400 – Transmisor de Presión HART/4-20mA con sensor capacitivo,placa electrónica única, alta performance (eltransmisor con el mejor tiempo de respuesta del mercado).

 

Los transmisores de presión microprocesados tienen la gran ventaja de posibilitar mejor interacción con el usuario, con interfaces de fácil utilización. Además, sus características de autodiagnosis facilitan la identificación de problemas. Con el advenimiento de las redes fieldbus, es posible extraer los beneficios de la tecnología digital al máximo. Estos transmisores tienen mejor exactitud, estabilidad electrónica superior a los modelos analógicos, además de facilitar ajustes y calibraciones. La tecnología digital también permite que se implementen poderosos algoritmos a favor de performance y exactitud de medición y de monitoreo en línea de toda la vida del equipo.

 

Ejemplos de Aplicaciones Típicas con el Transmisor de Presión

 En seguida vienen ejemplos típicos de aplicaciones con el transmisor de presión. Para mas detalles sobre cada aplicación consulte las publicaciones disponibles en las referencias del artículo. Téngase en cuenta que la instalación correcta garantiza el mejor aprovechamiento y desempeño de los equipos.

 

Medición de niveles de líquidos

Figura 14 – Medición de nivel en tanque abierto.

Figura 14 – Medición de nivel en tanque abierto.

 

 

Figura 15 – Medición de nivel en tanque cerrado.

Figura 15 – Medición de nivel en tanque cerrado.

 

Medición de flujo

Figura 16 – Medición de flujo usando el tubo de Pitot

Figura 16 – Medición de flujo usando el tubo de Pitot

 

 

Placa de Orificio

Figura 17 - Medición de flujo usando placa de orificio.

Figura 17 - Medición de flujo usando placa de orificio.

 

Medición de volume y masa

  • La presión (nivel) puede convirtirse en volume, utilizando la función Tabla 

Figura 18 - Medición de volume.

Figura 18 - Medición de volume.

 

 

  • La presión (nivel) puede convertirse en masa, utilizando la función Tabla 

Figura 19 - Medición de masa.

Figura 19 - Medición de masa.

 

 

Accesorios Importantes en Medición de Presión y sus Variantes

Debido a la amplia gama de aplicaciones posibles, hay la necesidad de disponerse de algunos accesorios en la utilización de los transmisores de presión. Los más comunes son los manifolds y los sellos remoto, como se ve a seguir en la figura 20. Los sellos remotos tienen la función de transmitir la presión de un punto distante del sensor o mismo garantizar condiciones adecuadas a la medición relativamente a la temperatura del proceso. Nos manifolds son pequeñas válvulas usadas para facilitar el manoseo de los equipos, la calibración y el mantenimiento en general.

Figura 20 – Accesorios para varias aplicaciones con transmisores.

Figura 20 – Accesorios para varias aplicaciones con transmisores.

 

 

Como Especificar Transmisores de Presión

Especificaciones incompletas o aún con datos inconsistentes son muy comunes en la documentación para compra de transmisores de presión. En la primera mirada parecen artículos simples de un proyecto, pero los detalles son numerosos y, si especificados incorrectamente, podrán generar perjuicio durante el montaje o la operación, que podrá ser mayor que los valores de los equipos en cuestión.

Este tópico busca clarificar algunas cuestiones fundamentales del proceso de especificación de transmisores de presión.

 

¿Qué se pretende medir? 

Presión manométrica, presión absoluta, presión diferencial; otras grandezas inferidas a partir de mediciones de presión (flujo, nivel, volumen, fuerza, densidad, etc.).

Vale subrayar que las mediciones de presión abajo de la atmosférica no necesitan forzosamente transmisores de presión absoluta. Los transmisores de presión absoluta son recomendados solamente para evitar las influencias de la presión atmosférica. Esa influencia solo será crítica cuando se medir presiones muy cercanas (arriba o abajo) de la presión atmosférica. En los demás casos pueden emplease sin problemas los transmisores de presión manométrica.

 

¿Para qué medir la presión?

Por lo general se mide la presión para control o monitoreo de procesos, por protección (seguridad), control de calidad, transacciones comerciales de fluidos (transferencias de custodia, medición fiscal, estudio e investigación, balances de masa y energía.

Esos objetivos deben ser tenidos en cuenta en la elección de los equipos. Quesitos más rigurosos de desempeño tales como exactitud, límites de sobrepresión y presión estática, estabilidad y otros, pueden  cargar sin necesidad el proyecto. Todos los fabricantes suministran al mercado más de una versión de transmisores con características técnicas distintas y, obviamente, precios también distintos.

 

¿Cual es el fluido del proceso?

El proveedor deberá ser informado de las características del fluido. Por lo general el fabricante podrá recomendar materiales o conexiones especiales. Téngase en cuenta que la decisión final tocará al usuario o a la compañía de ingeniería encargada. Algunos datos del fluido del proceso son fundamentales al elegirse el transmisor:

  • Estado (líquido, gas, vapor): define la posición de la válvula de escape;
  • Presión máxima del proceso: es importante para evaluación de los límites de sobrepresión y presión estática del transmisor;
  • Temperatura máxima del proceso: se podrá determinar para uso de sellos remotos o solo para mantener una distancia mínima en la línea de impulse (tubing).

 

¿Opcionales?

Algunos opcionales se pueden agregar a los transmisores suministrados:

  • Indicador local: no es muy dispendioso y es muy útil, pues no solo permite la lectura de la variable en unidades de ingeniería (kgf/cm2, bar, mmH2O, Pa, psi, etc.), pero también facilita la configuración del transmisor en la ausencia de un configurador.
  • Manifold: la compra combinada (transmisor + manifold) es ventajosa comercialmente y evita cualquier incompatibilidad técnica en el montaje.
  • Soporte para tubo de 2”: este es un artículo casi obligatorio. Algunos soportes posibilitan también montaje en superficies planas. Se recomienda especificar el soporte al menos con los tornillos y tuercas en acero inoxidable para mejor resistencia en atmósferas corrosivas.
Sujetacables (cable clamps): se los puede encargar junto con el transmisor. Se recomienda, todavía, incluirlo en la compra del material de montaje, garantizando la compatibilidad con el calibre del cable a se utilizar.  

 

Protocolos de comunicación

Los más comunes son4-20 mA + HART, Foundation Fieldbus y Profibus PA.

Algunos fabricantes proveen transmisores que cambia su versión de protocolo a través de la simple sustitución de la placa de circuito electrónico o solo del firmware y se pueden usar en distintos sistemas.

Os fabricantes tambien suministran, junto con los transmisores, CDs con todos los archivos (DDs y DTMs) de sus productos, garantizando la comunicación e interoperabilidad entre los diversos sistemas de control de mercado.

 

 ¿Herramientas especiales?

Para los transmisores con protocolo Foundation Fieldbus o Profibus PA no se necesitarán configuradores portátiles, pues la propia herramienta de configuración de redes, por lo general instalada en los computadores de supervisión o en alguna estación de ingeniería, puede también acceder a los dispositivos y configurarlos. Para los proyectos convencionales (4-20mA + HART), se recomienda la adquisición de configurador portátil (hand held). En algunos transmisores la configuración podrá hacerse directamente en los aparatos, con recursos tales como la llave magnética o botoneras locales.

 

¿Preconfiguraciones?

Los transmisores convencionales (4-20mA + HART) proveen, por lo general, sin costos adicionales, algunas preconfiguraciones: extracción de raíz cuadrada, banda calibrada, indicación del display en unidades de ingeniería (presión), indicación del display en unidades especiales, por ejemplo:m3/h, l/h, m3. En ese caso débese informar previamente la unidad  y la escala.

 

¿Certificaciones?

Es común el usuario solicitar al fabricante certificados de calibración emitidos por laboratorio rastreado por la RBC. Los fabricantes siempre proveen certificados estándares generados y emitidos durante la etapa de fabricación de los instrumentos. Otros certificados de calibración, cuando emitidos por laboratorio de metrología rastreado por la RBC pueden necesitar plazos mas largos de entrega y generalmente resultan en costos adicionales.

Otra certificación importante debe observarse cuando se usan transmisores en áreas explosivas. Los proyectos de instrumentación para esos casos adoptan normas que observan prueba de explosión, seguridad aumentada o seguridad intrínseca. Los certificados son distintos y el usuario es responsable por su correcta utilización. Lo mismo se aplica a los SIS, Sistemas Integrados de Seguridad.


¿Opcionales?

Algunos opcionales se pueden agregar a los transmisores suministrados:

  • Indicador local: no es muy dispendioso y es muy útil, pues no solo permite la lectura de la variable en unidades de ingeniería (kgf/cm2, bar, mmH2O, Pa, psi, etc.), pero también facilita la configuración del transmisor en la ausencia de un configurador.
  • Manifold: la compra combinada (transmisor + manifold) es ventajosa comercialmente y evita cualquier incompatibilidad técnica en el montaje.
  • Soporte para tubo de 2”: este es un artículo casi obligatorio. Algunos soportes posibilitan también montaje en superficies planas. Se recomienda especificar el soporte al menos con los tornillos y tuercas en acero inoxidable para mejor resistencia en atmósferas corrosivas.
Sujetacables (cable clamps): se los puede encargar junto con el transmisor. Se recomienda, todavía, incluirlo en la compra del material de montaje, garantizando la compatibilidad con el calibre del cable a se utilizar.  

 

 ¿Conexiones especiales?

En aplicaciones con fluidos agresivos, temperatura o viscosidad alta, sólidos en suspensión, se recomienda el uso de transmisores con sellos remotos o integrales (que son llamados de transmisores de nivel). Se debe, siempre lo posible, evitar el uso de sellos, pues estos degradan la exactitud de la medición, aumentan el tiempo de respuesta del transmisor y sufren grande influencia de la temperatura ambiente. Los sellos con conexiones de brida deberán ser compatibles con las bridas de proceso y respetar las clases de presión establecidas en las tablas de presión y temperatura de los respectivos estándares.

 

¿Banda de presión / rangeabilidad?

Los fabricantes adoptan una terminología estandarizada que se necesita conocer:

  • URL: Límite superior de la banda de calibración;
  • LRL: límite inferior de la banda de calibración (en general LRL = - URL);
  • URV: valor superior de la banda calibrada (deberá ser inferior o igual a la URL);
  • LRV: valor inferior de la banda calibrada (deberá ser superior o igual a la LRL);
  • SPAN: URV – LRV (deberá ser superior al SPAN mínimo del instrumento).

La relación URL /SPAN mínimo define la rangeabilidad del instrumento.

Los catálogos de los fabricantes en general muestran los valores de URL, LRL y SPAN mínimo para las varias bandas de los transmisores. Se puede observar que el SPAN mínimo de una determinada banda será siempre más grande que el URB de la banda inmediatamente inferior. Ejemplo:

  • Banda 4 es URL : 25 kgf/cm2  ;      Span mínimo : 0,21 kgf/cm2;  límites de sobrepresión o presión estática: 160 kgf/cm2
  •  Banda 5 es URL : 250 kgf/cm2  ;    Span mínimo : 2,1 kgf/cm2;    límites de sobrepresión o presión estática: 320  kgf/cm2

En una aplicación con banda equilibrada 0 a 20 kgf/cm2 es posible usar la banda 4 o mismo la banda 5. Sin embardo, débese eligir siempre el de banda inferior. Todas las especificaciones de estabilidad, efecto de temperatura, efecto de la presión estática se determinan con valores porcentuales de URL. La excepción a esa elección se da cuando los límites de sobrepresión o de presión estática pueden ser alcanzados. En el ejemplo por encima de ese límite es de 160 kgf/cm2 para la banda 4 y 320 kgf/cm2 para la banda 5.

 

Recursos funcionales

Algunos transmisores tienen recursos funcionales muy interesantes. Para los transmisores con protocolo Foundation Fieldbus es importante conocer la biblioteca de bloques funcionales existente. El usuario debe informarse no solo sobre los diversos bloques, como también sobre la política de comercialización de esos recursos. Algunos fabricantes suministran el dispositivo con algunos bloques básicos y cobran adicionales por los bloques avanzados. Es importante, también, informase sobre la cantidad de bloques que se pueden procesar en un único transmisor. Este límite puede ser crítico en proyectos con lazos de control más complejos.

Para los transmisores convencionales (4-20ma + HART) es posible también el uso de funcionalidades adicionales:

 

 Control de PID

En esta configuración el transmisor ejecuta el algoritmo PID, comparando la variable del proceso con un set-point preajustado y genera la señal de salida de corriente para conexión directa con el posicionador de la válvula de control. Ese recurso es válido para circuitos simples de control que no necesiten intervenciones del operador (siempre en automático con set-point constante).

 

Totalización de flujo

El transmisor de presión diferencial cuando usado en mediciones de flujo puede configurarse para indicación local del flujo totalizado, además del instantáneo.

 

Conclusión

En este artículo hemos visto un poco de la historia de la medición de presión, su importancia en la automatización y el control de procesos, peculiaridades de algunos tipos de sensores, combinados con los avances tecnológicos de los transmisores de presión. Abordamos también los cuidados necesarios con las instalaciones y con las especificaciones de transmisores y las tendencias del mercado.

 

Referências

  • Intech Edição 74 , Transmissores de Pressão: sensores, tendências, mercado e aplicações,  César Cassiolato, 2005
  • Controle&Instrumentação - Edição nº 106, O Brasil quebrando as barreiras tecnológicas com a inovação – Transmissores de Pressão César Cassiolato,  2005
  • Controle&Instrumentação - Edição nº 113, Especificando Transmissores de Pressão, César Cassiolato, Francisco Julião, 2006.
  • Intech Edição 93 , Medições de Pressão: características e tecnologias,  César Cassiolato, 2007
  • Controle&Instrumentação - Edição nº 135, Medições de Pressão: Tudo o que você precisa saber, César Cassiolato,  2008
  • Controle&Instrumentação - Edição nº 137, Medição de Vazão, César Cassiolato, Evaristo O. Alves,  2008
  • Manuais de Operação e Treinamento dos transmissores de pressão Smar: LD301, LD302 , LD303 e LD400
  • www.smar.com.br
     

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