Medición de presión

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Análisis de la fuerza aplicado por un fluido sobre una superficie

Ejemplo del medidor de presión de Bourdon ampliamente utilizado

Controlar la presión del neumático con un medidor de presión de resorte y pistón

La medición de presión es la medición de una fuerza aplicada por un fluido (líquido o gas) sobre una superficie. La presión se mide normalmente en unidades de fuerza por unidad de superficie. Se han desarrollado muchas técnicas para medir la presión y el vacío. Los instrumentos utilizados para medir y mostrar la presión mecánicamente se denominan manómetros, manómetros de vacío o manómetros compuestos (vacío y presión). El calibre Bourdon ampliamente utilizado es un dispositivo mecánico que mide e indica y es probablemente el tipo de calibre más conocido.

Se utiliza un vacuómetro para medir presiones inferiores a la presión atmosférica ambiental, que se establece como el punto cero, en valores negativos (por ejemplo, −1 bar o −760 mmHg equivale al vacío total). La mayoría de los manómetros miden la presión en relación con la presión atmosférica como el punto cero, por lo que esta forma de lectura se denomina simplemente "presión manométrica". Sin embargo, cualquier cosa mayor que el vacío total es técnicamente una forma de presión. Para presiones muy bajas, se debe usar un manómetro que use el vacío total como punto cero de referencia, dando lecturas de presión como una presión absoluta.

Otros métodos de medición de presión involucran sensores que pueden transmitir la lectura de presión a un indicador remoto o sistema de control (telemetría).

Presiones absolutas, manométricas y diferenciales: referencia cero

Manómetro de presión de gas natural

Las mediciones de presión diarias, como la presión de los neumáticos de los vehículos, generalmente se realizan en relación con la presión del aire ambiental. En otros casos, las mediciones se realizan en relación con un vacío o con alguna otra referencia específica. Al distinguir entre estas referencias cero, se utilizan los siguientes términos:

Presión absoluta es cero referencia contra un vacío perfecto, utilizando una escala absoluta, por lo que es igual a la presión de calibre más la presión atmosférica.
Presión de Gauge es cero referencia contra la presión del aire ambiente, por lo que es igual a la presión absoluta menos la presión atmosférica.
Presión diferencial es la diferencia de presión entre dos puntos.

La referencia cero en uso generalmente está implícita en el contexto, y estas palabras se agregan solo cuando se necesita una aclaración. La presión de los neumáticos y la presión arterial son presiones manométricas por convención, mientras que las presiones atmosféricas, las presiones de vacío profundo y las presiones del altímetro deben ser absolutas.

Para la mayoría de los fluidos de trabajo donde existe un fluido en un sistema cerrado, prevalece la medición de la presión manométrica. Los instrumentos de presión conectados al sistema indicarán presiones relativas a la presión atmosférica actual. La situación cambia cuando se miden presiones de vacío extremas, luego se usan típicamente presiones absolutas en su lugar y los instrumentos de medición utilizados serán diferentes.

Las presiones diferenciales se usan comúnmente en los sistemas de procesos industriales. Los manómetros de presión diferencial tienen dos puertos de entrada, cada uno conectado a uno de los volúmenes cuya presión se va a monitorear. En efecto, tal indicador realiza la operación matemática de sustracción por medios mecánicos, obviando la necesidad de un operador o sistema de control para observar dos indicadores separados y determinar la diferencia en las lecturas.

Las lecturas de presión de vacío moderado pueden ser ambiguas sin el contexto adecuado, ya que pueden representar presión absoluta o presión manométrica sin un signo negativo. Por lo tanto, un vacío de 26 inHg manométrico es equivalente a una presión absoluta de 4 inHg, calculada como 30 inHg (presión atmosférica típica) − 26 inHg (presión manométrica).

La presión atmosférica suele ser de unos 100 kPa al nivel del mar, pero varía según la altitud y el clima. Si la presión absoluta de un fluido permanece constante, la presión manométrica del mismo fluido variará a medida que cambie la presión atmosférica. Por ejemplo, cuando un automóvil sube una montaña, la presión de los neumáticos (indicadores) aumenta porque la presión atmosférica disminuye. La presión absoluta en el neumático es esencialmente la misma.

Usar la presión atmosférica como referencia generalmente se indica con una "g" para manómetro después de la unidad de presión, p. 70 psig, lo que significa que la presión medida es la presión total menos la presión atmosférica. Hay dos tipos de presión manométrica de referencia: manómetro ventilado (vg) y manómetro sellado (sg).

Un transmisor de presión con manómetro ventilado, por ejemplo, permite que la presión del aire exterior se exponga al lado negativo del diafragma sensor de presión, a través de un cable ventilado o un orificio en el costado del dispositivo, de modo que siempre mide la presión referida a la presión barométrica ambiente. Por lo tanto, un sensor de presión de referencia con manómetro ventilado siempre debe leer presión cero cuando la conexión de presión del proceso se mantiene abierta al aire.

La referencia de un manómetro sellado es muy similar, excepto que la presión atmosférica está sellada en el lado negativo del diafragma. Esto generalmente se adopta en rangos de alta presión, como la hidráulica, donde los cambios de presión atmosférica tendrán un efecto insignificante en la precisión de la lectura, por lo que no es necesario ventilar. Esto también permite que algunos fabricantes proporcionen contención de presión secundaria como precaución adicional para la seguridad del equipo de presión si se excede la presión de ruptura del diafragma de detección de presión principal.

Hay otra forma de crear una referencia de manómetro sellada, y es sellar un alto vacío en el reverso del diafragma de detección. Luego, la señal de salida se compensa, por lo que el sensor de presión lee cerca de cero al medir la presión atmosférica.

Un transductor de presión de referencia de manómetro sellado nunca leerá exactamente cero porque la presión atmosférica siempre está cambiando y la referencia en este caso se fija en 1 bar.

Para producir un sensor de presión absoluta, el fabricante sella un alto vacío detrás del diafragma de detección. Si la conexión de presión de proceso de un transmisor de presión absoluta está abierta al aire, leerá la presión barométrica real.

Historia

Durante gran parte de la historia humana, la presión de los gases como el aire se ignoró, se negó o se dio por sentada, pero ya en el siglo VI a. C., el filósofo griego Anaxímenes de Mileto afirmó que todas las cosas están hechas de aire que es simplemente cambiado por diferentes niveles de presión. Podía observar el agua evaporándose, convirtiéndose en gas, y sintió que esto se aplicaba incluso a la materia sólida. Más aire condensado hizo objetos más fríos y pesados, y aire expandido hizo objetos más livianos y calientes. Esto era similar a cómo los gases realmente se vuelven menos densos cuando están más calientes y más densos cuando están más fríos.

En el siglo XVII, Evangelista Torricelli realizó experimentos con mercurio que le permitieron medir la presencia de aire. Sumergía un tubo de vidrio, cerrado por un extremo, en un cuenco de mercurio y sacaba el extremo cerrado, manteniendo sumergido el extremo abierto. El peso del mercurio lo empujaría hacia abajo, dejando un vacío parcial en el otro extremo. Esto validó su creencia de que el aire/gas tiene masa, creando presión sobre las cosas a su alrededor. Anteriormente, la conclusión más popular, incluso para Galileo, era que el aire no pesaba y que era el vacío el que proporcionaba la fuerza, como en un sifón. El descubrimiento ayudó a llevar a Torricelli a la siguiente conclusión:

Vivimos sumergidos en el fondo de un océano del aire elemento, que por experimentos sin cuestionar se sabe que tiene peso.

Esta prueba, conocida como el experimento de Torricelli, fue esencialmente el primer manómetro documentado.

Blaise Pascal fue más allá, hizo que su cuñado probara el experimento a diferentes altitudes en una montaña y descubrió que cuanto más abajo en el océano de la atmósfera, mayor era la presión.

Unidades

Unidades de presión
v t e	Pascal	Bar	Atmósfera técnica	Ambiente estándar	Tor	Libra por pulgada cuadrada
v t e	(Pa)	(bar)	a)	(atm)	(Torr)	(lbf/in²)
1 Pa	—	1 Pa = 10^{; 5 -} bar	1 Pa = 1.0197×10^{; 5 -} a	1 Pa = 9.8692×10⁻⁶ atm	1 Pa = 7.5006×10⁻³ Tor	1 Pa = 0,000145037737730 lbf/in²
1 bar	10⁵	—	= 1.0197	= 0.98692	= 750.06	= 14.503773773022
1 a	98066.5	0.980665	—	0.9678411053541	735.5592401	14.2233433071203
1 atm	↑ 101325	↑ 1.01325	1.0332	—	760	14.6959487755142
1 Torr	133.322368421	0,001333224	0,00135951	1/760. 0,001315789	—	0,019336775
1 lbf/in²	6894.757293168	0,068947573	0,070306958	0,068045964	51.714932572	—

Una lectura de medidor de presión en psi (escala roja) y kPa (escala negra)

La unidad SI para la presión es el pascal (Pa), igual a un newton por metro cuadrado (N·m⁻² o kg·m⁻¹·s ⁻²). Este nombre especial para la unidad se agregó en 1971; antes de eso, la presión en el SI se expresaba en unidades como N·m⁻². Cuando se indica, la referencia cero se indica entre paréntesis después de la unidad, por ejemplo, 101 kPa (abs). La libra por pulgada cuadrada (psi) todavía se usa ampliamente en los EE. UU. y Canadá para medir, por ejemplo, la presión de los neumáticos. A menudo se agrega una letra a la unidad psi para indicar la referencia cero de la medición; psia para absoluto, psig para manómetro, psid para diferencial, aunque el NIST desaconseja esta práctica.

Debido a que la presión solía medirse por su capacidad para desplazar una columna de líquido en un manómetro, las presiones a menudo se expresan como la profundidad de un fluido en particular (por ejemplo, pulgadas de agua). La medición manométrica es el tema de los cálculos de cabeza de presión. Las opciones más comunes para el fluido de un manómetro son mercurio (Hg) y agua; el agua no es tóxica y está fácilmente disponible, mientras que la densidad del mercurio permite una columna más corta (y, por lo tanto, un manómetro más pequeño) para medir una presión determinada. La abreviatura "W.C." o las palabras "columna de agua" a menudo se imprimen en indicadores y medidas que utilizan agua para el manómetro.

La densidad del fluido y la gravedad local pueden variar de una lectura a otra según los factores locales, por lo que la altura de una columna de fluido no define la presión con precisión. Entonces, las medidas en "milímetros de mercurio" o "pulgadas de mercurio" se puede convertir a unidades SI siempre que se preste atención a los factores locales de densidad y gravedad del fluido. Las fluctuaciones de temperatura cambian el valor de la densidad del fluido, mientras que la ubicación puede afectar la gravedad.

Aunque ya no se prefieren, estas unidades manométricas todavía se encuentran en muchos campos. La presión arterial se mide en milímetros de mercurio (ver torr) en la mayor parte del mundo, la presión venosa central y las presiones pulmonares en centímetros de agua siguen siendo comunes, como en las configuraciones de las máquinas CPAP. Las presiones de las tuberías de gas natural se miden en pulgadas de agua, expresadas como "pulgadas W.C."

Los buceadores submarinos utilizan unidades manométricas: la presión ambiental se mide en unidades de metros de agua de mar (msw), que se define como igual a una décima parte de un bar. La unidad utilizada en los EE. UU. es el pie de agua de mar (fsw), basada en la gravedad estándar y una densidad de agua de mar de 64 lb/ft³. Según el Manual de buceo de la Marina de EE. UU., un fsw equivale a 0,30643 msw, 0,030643 bar, o 0,44444 psi, aunque en otro lugar establece que 33 fsw es 14,7 psi (una atmósfera), lo que da un fsw igual a aproximadamente 0,445 psi. El msw y el fsw son las unidades convencionales para medir la exposición a la presión del buzo que se utilizan en las tablas de descompresión y la unidad de calibración para neumofatómetros y manómetros de cámara hiperbárica. Tanto msw como fsw se miden en relación con la presión atmosférica normal.

En los sistemas de vacío, las unidades torr (milímetro de mercurio), micras (micrómetro de mercurio) y pulgadas de mercurio (inHg) son las más utilizadas. Torr y micron generalmente indican una presión absoluta, mientras que inHg generalmente indica una presión manométrica.

Las presiones atmosféricas generalmente se expresan usando hectopascales (hPa), kilopascales (kPa), milibares (mbar) o atmósferas (atm). En la ingeniería estadounidense y canadiense, la tensión a menudo se mide en kip. Tenga en cuenta que el estrés no es una verdadera presión ya que no es escalar. En el sistema cgs la unidad de presión era la baria (ba), igual a 1 dyn·cm⁻². En el sistema mts, la unidad de presión era el pieze, igual a 1 sthene por metro cuadrado.

Se utilizan muchas otras unidades híbridas, como mmHg/cm² o gramos-fuerza/cm² (a veces como [[kg/cm²]] sin identificar correctamente las unidades de fuerza). El uso de los nombres kilogramo, gramo, kilogramo-fuerza o gramo-fuerza (o sus símbolos) como unidad de fuerza está prohibido en SI; la unidad de fuerza en el SI es el newton (N).

Presión estática y dinámica

La presión estática es uniforme en todas las direcciones, por lo que las mediciones de presión son independientes de la dirección en un fluido inamovible (estático). Sin embargo, el flujo aplica una presión adicional en las superficies perpendiculares a la dirección del flujo, mientras que tiene poco impacto en las superficies paralelas a la dirección del flujo. Este componente direccional de la presión en un fluido en movimiento (dinámico) se denomina presión dinámica. Un instrumento orientado en la dirección del flujo mide la suma de las presiones estática y dinámica; esta medida se denomina presión total o presión de estancamiento. Dado que la presión dinámica se refiere a la presión estática, no es manométrica ni absoluta; es una presión diferencial.

Mientras que la presión manométrica estática es de primordial importancia para determinar las cargas netas en las paredes de las tuberías, la presión dinámica se usa para medir las tasas de flujo y la velocidad del aire. La presión dinámica se puede medir tomando la presión diferencial entre instrumentos paralelos y perpendiculares al flujo. Los tubos Pitot-estático, por ejemplo, realizan esta medición en aviones para determinar la velocidad del aire. La presencia del instrumento de medición actúa inevitablemente para desviar el flujo y crear turbulencia, por lo que su forma es fundamental para la precisión y las curvas de calibración suelen ser no lineales.

Aplicaciones

Altimeter
Barómetro
Manómetro de profundidad
Sensor MAP
Tubo de pito
Sphygmomanometer

Instrumentos

Un medidor de presión en acción

Se han inventado muchos instrumentos para medir la presión, con diferentes ventajas y desventajas. El rango de presión, la sensibilidad, la respuesta dinámica y el costo varían en varios órdenes de magnitud de un diseño de instrumento a otro. El tipo más antiguo es el manómetro de columna líquida (un tubo vertical lleno de mercurio) inventado por Evangelista Torricelli en 1643. El tubo en U fue inventado por Christiaan Huygens en 1661.

Hidrostática

(feminine)Los medidores

hidrostáticos (como el manómetro de columna de mercurio) comparan la presión con la fuerza hidrostática por unidad de área en la base de una columna de fluido. Las mediciones de los manómetros hidrostáticos son independientes del tipo de gas que se mide y pueden diseñarse para tener una calibración muy lineal. Tienen una pobre respuesta dinámica.

Pistón

Los manómetros de tipo pistón equilibran la presión de un fluido con un resorte (por ejemplo, manómetros de presión de neumáticos de precisión comparativamente baja) o un peso sólido, en cuyo caso se conoce como probador de peso muerto y se puede usar para calibrar otros calibres.

Columna de líquido (manómetro)

La diferencia en la altura del líquido en un manómetro líquido-columno es proporcional a la diferencia de presión:

{displaystyle h={frac {P_{a}-P_{o}}{grho }}}

Manómetro de equilibrio de anillos

Los manómetros de columna de líquido consisten en una columna de líquido en un tubo cuyos extremos están expuestos a diferentes presiones. La columna subirá o bajará hasta que su peso (una fuerza aplicada debido a la gravedad) esté en equilibrio con el diferencial de presión entre los dos extremos del tubo (una fuerza aplicada debido a la presión del fluido). Una versión muy simple es un tubo en forma de U medio lleno de líquido, un lado del cual está conectado a la región de interés mientras que la presión de referencia (que puede ser la presión atmosférica o el vacío) se aplica al otro. La diferencia en los niveles de líquido representa la presión aplicada. La presión ejercida por una columna de fluido de altura h y densidad ρ viene dada por la ecuación de presión hidrostática, P = hgρ. Por lo tanto, la diferencia de presión entre la presión aplicada P_a y la presión de referencia P₀ en un tubo en U el manómetro se puede encontrar resolviendo P_a − P₀ = hgρ. En otras palabras, la presión en cualquiera de los extremos del líquido (que se muestra en azul en la figura) debe estar equilibrada (ya que el líquido es estático), y así P_a = P₀ + hgρ.

En la mayoría de las mediciones de columna líquida, el resultado de la medición es la altura h, expresada normalmente en mm, cm o pulgadas. La h también se conoce como cabeza de presión. Cuando se expresa como cabeza de presión, la presión se especifica en unidades de longitud y se debe especificar el fluido de medición. Cuando la precisión es crítica, también se debe especificar la temperatura del fluido de medición, ya que la densidad del líquido es función de la temperatura. Entonces, por ejemplo, la cabeza de presión podría escribirse "742.2 mm_Hg" o "4.2 en_H₂O a 59 °F" para mediciones tomadas con mercurio o agua como fluido manométrico, respectivamente. La palabra "calibre" o "vacío" puede agregarse a tal medición para distinguir entre una presión por encima o por debajo de la presión atmosférica. Tanto mm de mercurio como pulgadas de agua son cabezales de presión comunes, que se pueden convertir a unidades de presión del S.I. mediante la conversión de unidades y las fórmulas anteriores.

Si el fluido que se mide es significativamente denso, es posible que se deban realizar correcciones hidrostáticas para la altura entre la superficie móvil del fluido de trabajo del manómetro y la ubicación donde se desea medir la presión, excepto cuando se mide la presión diferencial de un fluido (por ejemplo, a través de una placa de orificio o venturi), en cuyo caso la densidad ρ debe corregirse restando la densidad del fluido que se está midiendo.

Aunque se puede utilizar cualquier fluido, se prefiere el mercurio por su alta densidad (13,534 g/cm³) y su baja presión de vapor. Su menisco convexo es ventajoso ya que esto significa que no habrá errores de presión al humedecer el vidrio, aunque en circunstancias excepcionalmente limpias, el mercurio se adherirá al vidrio y el barómetro podría atascarse (el mercurio puede soportar una presión absoluta negativa) incluso bajo un fuerte vacío. Para diferencias de presión bajas, se suele utilizar aceite ligero o agua (esta última dando lugar a unidades de medida como pulgadas manométricas y milímetros H2O). Los manómetros de columna líquida tienen una calibración altamente lineal. Tienen una pobre respuesta dinámica porque el fluido en la columna puede reaccionar lentamente a un cambio de presión.

Al medir el vacío, el líquido de trabajo puede evaporarse y contaminar el vacío si su presión de vapor es demasiado alta. Al medir la presión de un líquido, un circuito lleno de gas o un fluido liviano puede aislar los líquidos para evitar que se mezclen, pero esto puede ser innecesario, por ejemplo, cuando se usa mercurio como fluido manómetro para medir la presión diferencial de un fluido como agua. Los manómetros hidrostáticos simples pueden medir presiones que van desde unos pocos torrs (unos 100 Pa) hasta unas pocas atmósferas (aproximadamente 1000000 Pa).

Un manómetro de columna líquida de rama única tiene un depósito más grande en lugar de un lado del tubo en U y tiene una escala al lado de la columna más estrecha. La columna se puede inclinar para amplificar aún más el movimiento del líquido. Según el uso y la estructura, se utilizan los siguientes tipos de manómetros

Manómetro sencillo
Micromanómetro
Manómetro diferencial
Manómetro diferencial invertido

Medidor McLeod

Un calibre McLeod, drenado de mercurio

Un manómetro McLeod aísla una muestra de gas y la comprime en un manómetro de mercurio modificado hasta que la presión es de unos pocos milímetros de mercurio. La técnica es muy lenta e inadecuada para el monitoreo continuo, pero es capaz de una buena precisión. A diferencia de otros manómetros, la lectura del manómetro McLeod depende de la composición del gas, ya que la interpretación se basa en la compresión de la muestra como un gas ideal. Debido al proceso de compresión, el manómetro McLeod ignora por completo las presiones parciales de los vapores no ideales que se condensan, como los aceites de bomba, el mercurio e incluso el agua si se comprime lo suficiente.

Rango útil: desde alrededor de 10⁻⁴Torr (aproximadamente 10⁻²Pa) a vacíos tan altos como 10⁻⁶Torr (0.1 mPa),

0,1 mPa es la medida directa de presión más baja posible con la tecnología actual. Otros vacuómetros pueden medir presiones más bajas, pero solo indirectamente mediante la medición de otras propiedades dependientes de la presión. Estas mediciones indirectas deben calibrarse en unidades SI mediante una medición directa, más comúnmente un calibre McLeod.

Aneroide

Los medidores aneroides se basan en un elemento metálico sensible a la presión que se flexiona elásticamente bajo el efecto de una diferencia de presión en el elemento. "Aneroide" significa "sin fluido", y el término distinguía originalmente estos manómetros de los manómetros hidrostáticos descritos anteriormente. Sin embargo, los manómetros aneroides se pueden usar para medir la presión de un líquido así como de un gas, y no son el único tipo de manómetro que puede funcionar sin fluido. Por esta razón, a menudo se les llama calibres mecánicos en el lenguaje moderno. Los manómetros aneroides no dependen del tipo de gas que se mide, a diferencia de los manómetros térmicos y de ionización, y es menos probable que contaminen el sistema que los manómetros hidrostáticos. El elemento sensor de presión puede ser un tubo de Bourdon, un diafragma, una cápsula o un conjunto de fuelles, que cambiarán de forma en respuesta a la presión de la región en cuestión. La desviación del elemento sensor de presión puede leerse mediante un enlace conectado a una aguja, o puede leerse mediante un transductor secundario. Los transductores secundarios más comunes en los vacuómetros modernos miden un cambio en la capacitancia debido a la desviación mecánica. Los medidores que dependen de un cambio en la capacitancia a menudo se denominan manómetros de capacitancia.

Tubo de Bourdon

Manómetro tipo Membrane

El manómetro de Bourdon utiliza el principio de que un tubo aplanado tiende a enderezarse o recuperar su forma circular en sección transversal cuando se presuriza. (Un cuerno de fiesta ilustra este principio.) Este cambio en la sección transversal puede ser apenas perceptible, ya que involucra esfuerzos moderados dentro del rango elástico de materiales fácilmente trabajables. La deformación del material del tubo se magnifica dándole forma de C o incluso de hélice, de modo que todo el tubo tiende a enderezarse o desenrollarse elásticamente cuando se presuriza. Eugène Bourdon patentó su calibre en Francia en 1849 y fue ampliamente adoptado debido a su superior simplicidad, linealidad y precisión; Bourdon ahora es parte del grupo Baumer y todavía fabrica calibres de tubo Bourdon en Francia. Edward Ashcroft compró los derechos de patente estadounidense de Bourdon en 1852 y se convirtió en un importante fabricante de medidores. También en 1849, Bernard Schaeffer en Magdeburg, Alemania, patentó un exitoso manómetro de diafragma (ver más abajo) que, junto con el manómetro de Bourdon, revolucionó la medición de presión en la industria. Pero en 1875, después de que expiraran las patentes de Bourdon, su compañía Schaeffer and Budenberg también fabricó medidores de tubo de Bourdon.

Un calibre compuesto original del siglo XIX Eugene Bourdon, presión de lectura tanto por debajo como por encima de atmosférico con gran sensibilidad

En la práctica, un tubo aplanado de pared delgada y de extremo cerrado se conecta en el extremo hueco a un tubo fijo que contiene la presión del fluido que se va a medir. A medida que aumenta la presión, el extremo cerrado se mueve en un arco y este movimiento se convierte en la rotación de un (segmento de un) engranaje mediante un eslabón de conexión que generalmente es ajustable. Un engranaje de piñón de diámetro pequeño está en el eje del indicador, por lo que el movimiento se magnifica aún más por la relación de transmisión. El posicionamiento de la tarjeta indicadora detrás del indicador, la posición inicial del eje del indicador, la longitud del varillaje y la posición inicial, todos proporcionan medios para calibrar el indicador para indicar el rango deseado de presión para variaciones en el comportamiento del propio tubo de Bourdon. La presión diferencial se puede medir con manómetros que contengan dos tubos Bourdon diferentes, con enlaces de conexión (pero se mide más a través de diafragmas o fuelles y un sistema de equilibrio).

Los tubos de Bourdon miden la presión manométrica, en relación con la presión atmosférica ambiental, a diferencia de la presión absoluta; el vacío se detecta como un movimiento inverso. Algunos barómetros aneroides usan tubos de Bourdon cerrados en ambos extremos (pero la mayoría usa diafragmas o cápsulas, ver más abajo). Cuando la presión medida pulsa rápidamente, como cuando el manómetro está cerca de una bomba recíproca, con frecuencia se usa una restricción de orificio en la tubería de conexión para evitar el desgaste innecesario de los engranajes y proporcionar una lectura promedio; cuando todo el indicador está sujeto a vibraciones mecánicas, la caja (incluidos el puntero y el dial) se puede llenar con aceite o glicerina. Los medidores modernos típicos de alta calidad brindan una precisión de ±1 % del intervalo (diámetro nominal de 100 mm, clase 1 EN837-1), y un medidor especial de alta precisión puede tener una precisión de hasta el 0,1 % de la escala completa.

Los sensores de tubo de Bourdon de cuarzo fundido con equilibrio de fuerza funcionan con el mismo principio, pero usan el reflejo de un haz de luz de un espejo para detectar el desplazamiento angular y se aplica corriente a los electroimanes para equilibrar la fuerza del tubo y traer el ángulo. desplazamiento de nuevo a cero, la corriente que se aplica a las bobinas se utiliza como medida. Debido a las propiedades mecánicas y térmicas extremadamente estables y repetibles del cuarzo y al equilibrio de fuerzas que elimina casi todo el movimiento físico, estos sensores pueden tener una precisión de alrededor de 1 PPM de escala completa. Debido a las estructuras de cuarzo fundido extremadamente finas que deben fabricarse a mano, estos sensores generalmente se limitan a fines científicos y de calibración.

En las siguientes ilustraciones de un manómetro compuesto (vacío y presión manométrica), se quitaron la caja y la ventana para mostrar solo el dial, el indicador y la conexión del proceso. Este manómetro en particular es una combinación de manómetro de vacío y presión que se utiliza para el diagnóstico automotriz:

Indicador frontal con puntero y esfera

lado mecánico con tubo Bourdon

El lado izquierdo de la cara, utilizado para medir el vacío, está calibrado en pulgadas de mercurio en su escala exterior y centímetros de mercurio en su escala interior
La parte derecha de la cara se utiliza para medir la presión de la bomba de combustible o el aumento del turbo y se escala en libras por pulgada cuadrada en su escala exterior y kg/cm2 en su escala interior.

Detalles mecánicos

Piezas estacionarias:

R: Bloque de receptor. Esto se une a la tubería de entrada al extremo fijo del tubo Bourdon (1) y asegura la placa de chasis (B). Los dos agujeros reciben tornillos que aseguran el caso.
B: Placa de chasis. El dial está conectado a esto. Contiene agujeros de rodamientos para los ejes.
C: Placa de chasis secundaria. Soporta los extremos exteriores de los ejes.
D: Posts to join and space the two chassis plates.

Piezas móviles:

Fin estacionario del tubo Bourdon. Esto se comunica con la tubería de entrada a través del bloque receptor.
Al final del tubo de Bourdon. Este extremo está sellado.
Pin de pivote y pivote
Enlace de unión de pin de pivote a palanca (5) con pines para permitir la rotación conjunta
Lever, una extensión del equipo sector (7)
Colgante de eje Sectorial
Equipo sectorial
El eje de aguja indicador. Esto tiene un equipo de estimulación que involucra el equipo sector (7) y se extiende a través de la cara para conducir la aguja indicadora. Debido a la corta distancia entre el jefe de enlace de brazo de palanca y el pin de pivote y la diferencia entre el radio eficaz del equipo sector y el de la marcha de espolón, cualquier movimiento del tubo de Bourdon se amplifica enormemente. Un pequeño movimiento del tubo resulta en un gran movimiento de la aguja indicadora.
Cabello para precargar el tren de engranajes para eliminar la fresa de engranajes e histeresis

Diafragma

Un segundo tipo de manómetro aneroide usa la desviación de una membrana flexible que separa regiones de diferente presión. La cantidad de deflexión es repetible para presiones conocidas, por lo que la presión se puede determinar mediante la calibración. La deformación de un diafragma delgado depende de la diferencia de presión entre sus dos caras. La cara de referencia se puede abrir a la atmósfera para medir la presión manométrica, se puede abrir a un segundo puerto para medir la presión diferencial o se puede sellar contra un vacío u otra presión de referencia fija para medir la presión absoluta. La deformación se puede medir mediante técnicas mecánicas, ópticas o capacitivas. Se utilizan diafragmas cerámicos y metálicos.

Rango útil: arriba 10⁻² Torr (aproximadamente 1 Pa)

Para mediciones absolutas, a menudo se utilizan cápsulas de presión soldadas con diafragmas en ambos lados.

forma:

Piso
Corrugado
Tubo plano
Cápsula

Fuelle

Un montón de cápsulas de presión con diafragmas corrugados en un barógrafo aneroide

En los manómetros destinados a detectar pequeñas presiones o diferencias de presión, o que requieran que se mida una presión absoluta, el tren de engranajes y la aguja pueden ser impulsados por una cámara de fuelle cerrada y sellada, denominada anoroide. (Los primeros barómetros usaban una columna de líquido como el agua o el mercurio metálico líquido suspendido por el vacío). Esta configuración de fuelle se usa en barómetros aneroides (barómetros con una aguja indicadora y una tarjeta de cuadrante), altímetros, barógrafos de registro de altitud y la altitud. instrumentos de telemetría utilizados en radiosondas de globos meteorológicos. Estos dispositivos utilizan la cámara sellada como presión de referencia y son accionados por la presión externa. Otros instrumentos sensibles de la aeronave, como los indicadores de velocidad del aire y los indicadores de velocidad de ascenso (variómetros), tienen conexiones tanto con la parte interna de la cámara aneroide como con una cámara envolvente externa.

Acoplamiento magnético

Estos manómetros utilizan la atracción de dos imanes para traducir la presión diferencial en el movimiento de un indicador de cuadrante. A medida que aumenta la presión diferencial, se mueve un imán unido a un pistón o a un diafragma de goma. Un imán giratorio que está unido a un puntero se mueve al unísono. Para crear diferentes rangos de presión, la tasa de resorte se puede aumentar o disminuir.

Medidor de rotor giratorio

El medidor de rotor giratorio funciona midiendo cómo la viscosidad del gas que se mide reduce la velocidad de una bola giratoria. La bola está hecha de acero y levita magnéticamente dentro de un tubo de acero cerrado por un extremo y expuesto al gas a medir por el otro. La bola se acelera (alrededor de 2500 o 3800 rad/s) y la tasa de desaceleración se mide después de apagar el impulsor, mediante transductores electromagnéticos. El rango del instrumento es de 5⁻⁵ a 10² Pa (10³ Pa con menos precisión). Es lo suficientemente preciso y estable para ser utilizado como estándar secundario. Durante los últimos años, este tipo de medidor se volvió mucho más fácil de usar y operar. En el pasado, el instrumento era famoso por requerir cierta habilidad y conocimiento para usarlo correctamente. Para mediciones de alta precisión, se deben aplicar varias correcciones y se debe hacer girar la pelota a una presión muy por debajo de la presión de medición prevista durante cinco horas antes de usarla. Es más útil en laboratorios de calibración e investigación donde se requiere alta precisión y se dispone de técnicos calificados. El monitoreo de vacío de aislamiento de líquidos criogénicos también es una aplicación muy adecuada para este sistema. Con el sensor soldable económico y estable a largo plazo, que se puede separar de los componentes electrónicos más costosos, se adapta perfectamente a todas las aspiradoras estáticas.

Instrumentos electrónicos de presión

Medidor de presión de metal: El medidor de tensión generalmente se pega (fuga de cola de cola) o se deposita en una membrana (calibra de tensión de relleno). La deflexión membrana debido a la presión provoca un cambio de resistencia en el medidor de tensión que se puede medir electrónicamente.
Medidor de tensión piezoresistiva: Utiliza el efecto piezoresistivo de medidores de tensión unidos o formados para detectar la tensión debido a la presión aplicada.
Sensor de presión de silicio piezoresistivo: El sensor es generalmente un sensor de presión de silicio compensado por temperatura y piezoresistivo elegido por su excelente rendimiento y estabilidad a largo plazo. La compensación de temperatura integral se proporciona a través de un rango de 0–50° C usando resistores accionados por láser. Se incluye un resistor láser adicional para normalizar las variaciones de sensibilidad de presión mediante la programación de la ganancia de un amplificador diferencial externo. Esto proporciona una buena sensibilidad y estabilidad a largo plazo. Los dos puertos del sensor, aplican presión al mismo transductor único, por favor vea el diagrama de flujo de presión debajo.

Este es un diagrama demasiado simplificado, pero puede ver el diseño fundamental de los puertos internos en el sensor. El elemento importante a tener en cuenta aquí es el "diafragma" ya que este es el sensor en sí. Tenga en cuenta que tiene una forma ligeramente convexa (muy exagerada en el dibujo); esto es importante ya que afecta la precisión del sensor en uso.

La forma del sensor es importante porque está calibrado para funcionar en la dirección del flujo de aire, como lo muestran las flechas ROJAS. Esta es una operación normal para el sensor de presión, proporcionando una lectura positiva en la pantalla del medidor de presión digital. Aplicar presión en la dirección inversa puede inducir errores en los resultados ya que el movimiento de la presión del aire está tratando de forzar al diafragma a moverse en la dirección opuesta. Los errores inducidos por esto son pequeños, pero pueden ser significativos y, por lo tanto, siempre es preferible asegurarse de que la presión más positiva se aplique siempre al puerto positivo (+ve) y la presión más baja se aplique al negativo (-ve) puerto, para 'presión manométrica' solicitud. Lo mismo se aplica a la medición de la diferencia entre dos vacíos, siempre se debe aplicar el mayor vacío al puerto negativo (-ve). La medición de la presión a través del puente de Wheatstone se parece a esto....

Aplicación esquemática

El modelo eléctrico efectivo del transductor, junto con un circuito de acondicionamiento de señal básico, se muestra en el esquema de la aplicación. El sensor de presión es un puente de Wheatstone completamente activo que ha sido compensado por temperatura y ajustado por compensación por medio de resistencias recortadas con láser de película gruesa. La excitación al puente se aplica a través de una corriente constante. La salida del puente de bajo nivel está en +O y -O, y el intervalo amplificado lo establece la resistencia de programación de ganancia (r). El diseño eléctrico está controlado por un microprocesador, lo que permite la calibración, las funciones adicionales para el usuario, como las funciones de selección de escala, retención de datos, cero y filtro, la función de registro que almacena/muestra MAX/MIN.

Capacitive: Usa una cavidad de diafragma y presión para crear un condensador variable para detectar la tensión debido a la presión aplicada.
Magnético: Mide el desplazamiento de un diafragma por medio de cambios en la inductancia (reticencia), LVDT, efecto Hall, o por principio corriente eddy.
Piezoelectric: Utiliza el efecto piezoeléctrico en ciertos materiales como el cuarzo para medir la tensión sobre el mecanismo de detección debido a la presión.
Óptico: Utiliza el cambio físico de una fibra óptica para detectar la tensión debido a la presión aplicada.
Potentiométrico: Utiliza el movimiento de un limpiaparabrisas a lo largo de un mecanismo resistivo para detectar la tensión causada por la presión aplicada.
Resonante: Utiliza los cambios en la frecuencia resonante en un mecanismo de detección para medir el estrés, o los cambios en la densidad del gas, causados por la presión aplicada.

Conductividad térmica

Por lo general, a medida que aumenta la densidad de un gas real, lo que puede indicar un aumento de la presión, aumenta su capacidad para conducir el calor. En este tipo de calibre, un filamento de alambre se calienta haciendo pasar corriente a través de él. Luego se puede usar un termopar o un termómetro de resistencia (RTD) para medir la temperatura del filamento. Esta temperatura depende de la velocidad a la que el filamento pierde calor al gas circundante y, por lo tanto, de la conductividad térmica. Una variante común es el calibre Pirani, que utiliza un solo filamento de platino como elemento calentado y RTD. Estos medidores tienen una precisión de 10⁻³ Torr a 10 Torr, pero su calibración es sensible a la composición química de los gases que se miden.

Pirani (un cable)

Manómetro de vacío Pirani (abierto)

Un manómetro Pirani consta de un alambre de metal abierto a la presión que se mide. El alambre es calentado por una corriente que fluye a través de él y enfriado por el gas que lo rodea. Si se reduce la presión del gas, el efecto de enfriamiento disminuirá y, por lo tanto, aumentará la temperatura de equilibrio del alambre. La resistencia del cable es una función de su temperatura: al medir el voltaje a través del cable y la corriente que fluye a través de él, se puede determinar la resistencia (y, por lo tanto, la presión del gas). Este tipo de calibre fue inventado por Marcello Pirani.

Dos hilos

En los medidores de dos cables, una bobina de cable se usa como calentador y la otra se usa para medir la temperatura debido a la convección. Los medidores de termopar y los medidores de termistor funcionan de esta manera usando un termopar o termistor, respectivamente, para medir la temperatura del cable calentado.

Indicador de ionización

Los manómetros de ionización son los manómetros más sensibles para presiones muy bajas (también conocidas como vacío duro o alto). Detectan la presión indirectamente al medir los iones eléctricos producidos cuando el gas es bombardeado con electrones. Los gases de menor densidad producirán menos iones. La calibración de un indicador de iones es inestable y depende de la naturaleza de los gases que se miden, que no siempre se conoce. Se pueden calibrar con un manómetro McLeod que es mucho más estable e independiente de la química del gas.

La emisión termoiónica genera electrones, que chocan con los átomos de gas y generan iones positivos. Los iones son atraídos a un electrodo adecuadamente polarizado conocido como colector. La corriente en el colector es proporcional a la tasa de ionización, que es función de la presión en el sistema. Por lo tanto, medir la corriente del colector da la presión del gas. Hay varios subtipos de medidores de ionización.

Rango útil: 10⁻¹⁰ - 10⁻³ torr (aproximadamente 10⁻⁸ - 10⁻¹ Pa)

La mayoría de los medidores de iones vienen en dos tipos: cátodo caliente y cátodo frío. En la versión de cátodo caliente, un filamento calentado eléctricamente produce un haz de electrones. Los electrones viajan a través del indicador e ionizan las moléculas de gas a su alrededor. Los iones resultantes se recogen en un electrodo negativo. La corriente depende del número de iones, que depende de la presión en el manómetro. Los medidores de cátodo caliente tienen una precisión de 10⁻³ Torr a 10⁻¹⁰ Torr. El principio detrás de la versión de cátodo frío es el mismo, excepto que los electrones se producen en la descarga de alto voltaje. Los medidores de cátodo frío tienen una precisión de 10⁻² Torr a 10⁻⁹ Torr. La calibración del indicador de ionización es muy sensible a la geometría de la construcción, la composición química de los gases que se miden, la corrosión y los depósitos superficiales. Su calibración puede ser invalidada por activación a presión atmosférica o bajo vacío. La composición de los gases en vacíos elevados suele ser impredecible, por lo que se debe utilizar un espectrómetro de masas junto con el medidor de ionización para una medición precisa.

Cátodo caliente

Manómetro de ionización de Bayard-Alpert

Un medidor de ionización de cátodo caliente se compone principalmente de tres electrodos que actúan juntos como un triodo, en el que el cátodo es el filamento. Los tres electrodos son un colector o placa, un filamento y una rejilla. La corriente del colector se mide en picoamperios con un electrómetro. El voltaje del filamento a tierra suele tener un potencial de 30 voltios, mientras que el voltaje de la red es de 180 a 210 voltios de CC, a menos que haya una característica opcional de bombardeo de electrones, calentando la red, que puede tener un alto potencial de aproximadamente 565 voltios.

El medidor de iones más común es el medidor de Bayard-Alpert de cátodo caliente, con un pequeño colector de iones dentro de la rejilla. Una envoltura de vidrio con una abertura para el vacío puede rodear los electrodos, pero por lo general el calibre desnudo se inserta directamente en la cámara de vacío, las clavijas se alimentan a través de una placa de cerámica en la pared de la cámara. Los manómetros de cátodo caliente pueden dañarse o perder su calibración si se exponen a la presión atmosférica o incluso a un vacío bajo mientras están calientes. Las medidas de un medidor de ionización de cátodo caliente son siempre logarítmicas.

Los electrones emitidos por el filamento se mueven varias veces en movimientos de ida y vuelta alrededor de la rejilla antes de finalmente entrar en la rejilla. Durante estos movimientos, algunos electrones chocan con una molécula gaseosa para formar un par de iones y electrones (ionización electrónica). El número de estos iones es proporcional a la densidad de la molécula gaseosa multiplicada por la corriente de electrones emitida por el filamento, y estos iones se vierten en el colector para formar una corriente de iones. Dado que la densidad de la molécula gaseosa es proporcional a la presión, la presión se estima midiendo la corriente de iones.

La sensibilidad a baja presión de los manómetros de cátodo caliente está limitada por el efecto fotoeléctrico. Los electrones que golpean la rejilla producen rayos X que producen ruido fotoeléctrico en el colector de iones. Esto limita el rango de los medidores de cátodo caliente más antiguos a 10⁻⁸ Torr y el de Bayard-Alpert a aproximadamente 10⁻¹⁰ Torr. Los cables adicionales al potencial del cátodo en la línea de visión entre el colector de iones y la rejilla evitan este efecto. En el tipo de extracción los iones no son atraídos por un alambre, sino por un cono abierto. Como los iones no pueden decidir en qué parte del cono golpear, pasan a través del agujero y forman un haz de iones. Este haz de iones se puede pasar a:

Copa Faraday
Detector de placas de microcanal con taza Faraday
Analizador de masa Quadrupole con taza Faraday
Analizador de masa de Quadrupole con detector de placas de microcanal y taza Faraday
Ion lente y voltaje de aceleración y dirigido a un objetivo para formar una pistola de sputter. En este caso, una válvula permite el gas en la cuadrícula.

Cátodo frío

Calibrador de vacío de fijación (corte)

Hay dos subtipos de medidores de ionización de cátodo frío: el medidor de Penning (inventado por Frans Michel Penning) y el magnetrón invertido, también llamado Medidor de pelirrojas. La principal diferencia entre los dos es la posición del ánodo con respecto al cátodo. Ninguno tiene filamento, y cada uno puede requerir un potencial de CC de aproximadamente 4 kV para su funcionamiento. Los magnetrones invertidos pueden medir hasta 1×10⁻¹² Torr.

Del mismo modo, los manómetros de cátodo frío pueden ser reacios a comenzar a presiones muy bajas, ya que la casi ausencia de un gas dificulta establecer una corriente de electrodo, en particular en los manómetros Penning, que utilizan un campo magnético axialmente simétrico. para crear longitudes de camino para electrones que son del orden de metros. En el aire ambiente, la radiación cósmica forma omnipresentemente pares de iones adecuados; en un medidor Penning, las características de diseño se utilizan para facilitar la configuración de una ruta de descarga. Por ejemplo, el electrodo de un medidor Penning suele estar finamente ahusado para facilitar la emisión de electrones en el campo.

Los ciclos de mantenimiento de los manómetros de cátodo frío se miden, en general, en años, según el tipo de gas y la presión en la que funcionan. El uso de un manómetro de cátodo frío en gases con componentes orgánicos sustanciales, como fracciones de aceite de bomba, puede dan como resultado el crecimiento de delicadas películas de carbono y fragmentos dentro del manómetro que eventualmente provocan un cortocircuito en los electrodos del manómetro o impiden la generación de una ruta de descarga.

Comparación de instrumentos de medición de presión
Fenómenos físicos	Instrumento	Ecuación de gobierno	Factores de limitación	Rango de presión práctica	Precisión ideal	Tiempo de respuesta
Mecánica	Manómetro de columna líquida	${displaystyle Delta P=rho gh}$		a 1 mbar
Mecánica	Manómetro de línea de cápsulas		Fricción	1000 a 1 mbar	±5% de escala completa	Despacio.
Mecánica	Manómetro			1000 a 1 mbar		Rápido
Mecánica	Manómetro de reanimación		Fluctuaciones de temperatura	a 10 horas⁻⁶ mbar	±1% de lectura	Más lento cuando se monta el filtro
Mecánica	McLeod	La ley de Boyle		10 a 10⁻³ mbar	±10% de lectura entre 10⁻⁴ y 5⋅10⁻² mbar
Transporte	rotor giratorio (drag)			10⁻¹ a 10⁻⁷ mbar	±2,5% de lectura entre 10⁻⁷ y 10⁻² mbar 2,5 a 13,5% entre 10⁻² y 1 mbar
Transporte	Pirani (Wheatstone bridge)		Conductividad térmica	1000 a 10⁻³ mbar (temperatura máxima) 10 a 10⁻³ mbar (tensión máxima)	±6% de lectura entre 10⁻² y 10 mbar	Rápido
Transporte	Thermocouple (Efecto aparente)		Conductividad térmica	5 a 10⁻³ mbar	±10% de lectura entre 10⁻² y 1 mbar
Ionización	Cathode frío (Penning)		Ionization yield	10⁻² a 10⁻⁷ mbar	+100 a -50% de lectura
Ionización	Cahoda caliente (ionización inducida por la emisión termonica)		Medición de baja corriente; emisión parasitaria de rayos X	10⁻³ a 10⁻¹⁰ mbar	±10% entre 10⁻⁷ y 10⁻⁴ mbar ±20% a 10⁻³ y 10⁻⁹ mbar ±100% a 10⁻¹⁰ mbar

Transitorios dinámicos

Cuando los flujos de fluidos no están en equilibrio, las presiones locales pueden ser mayores o menores que la presión promedio en un medio. Estas perturbaciones se propagan desde su fuente como variaciones de presión longitudinales a lo largo del camino de propagación. Esto también se llama sonido. La presión del sonido es la desviación instantánea de la presión local de la presión promedio causada por una onda de sonido. La presión del sonido se puede medir usando un micrófono en el aire y un hidrófono en el agua. La presión acústica efectiva es la raíz cuadrada media de la presión acústica instantánea durante un intervalo de tiempo determinado. Las presiones de sonido son normalmente pequeñas y, a menudo, se expresan en unidades de microbar.

respuesta de frecuencia de sensores de presión
resonancia

Calibración y patrones

Tester de peso muerto. Esto utiliza pesos calibrados conocidos en un pistón para generar una presión conocida.

La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) ha desarrollado dos estándares separados y distintos sobre la medición de presión, B40.100 y PTC 19.2. B40.100 proporciona pautas sobre el tipo de dial con indicación de presión y los manómetros indicadores digitales de presión, los sellos de diafragma, los amortiguadores y las válvulas limitadoras de presión. PTC 19.2 proporciona instrucciones y orientación para la determinación precisa de los valores de presión en apoyo de los códigos de prueba de rendimiento de ASME. La elección del método, los instrumentos, los cálculos requeridos y las correcciones que se aplicarán depende del propósito de la medición, la incertidumbre permitida y las características del equipo que se está probando.

También se proporcionan los métodos para medir la presión y los protocolos utilizados para la transmisión de datos. Se brinda orientación para configurar la instrumentación y determinar la incertidumbre de la medición. Se proporciona información sobre el tipo de instrumento, el diseño, el rango de presión aplicable, la precisión, la salida y el costo relativo. También se proporciona información sobre dispositivos de medición de presión que se utilizan en entornos de campo, es decir, manómetros de pistón, manómetros e instrumentos de baja presión absoluta (vacío).

Estos métodos están diseñados para ayudar en la evaluación de la incertidumbre de la medición según la tecnología actual y los conocimientos de ingeniería, teniendo en cuenta las especificaciones de instrumentación publicadas y las técnicas de medición y aplicación. Este Suplemento proporciona orientación sobre el uso de métodos para establecer la incertidumbre de la medición de la presión.

Estándar europeo (CEN)

EN 472: Manómetro de presión - Vocabulario.
EN 837-1: Manómetros de presión. Manómetros de presión de tubo de Bourdon. Dimensiones, metrología, requisitos y pruebas.
EN 837-2: Manómetros de presión. Recomendaciones de selección e instalación para medidores de presión.
EN 837-3: Manómetros de presión. Manómetros de presión de diafragma y cápsula. Dimensiones, metrología, requisitos y pruebas.

Estándares ASME de EE. UU.

B40.100-2013: Manómetros de presión y accesorios de Gauge.
PTC 19.2-2010: El código de prueba de rendimiento para la medición de presión.

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