Conceptos Básicos de Neumática e Hidráulica 


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DISPOSITIVOS DE CONTROL Y MEDIDA DE LA PRESIÓN

Elementos mecánicos para medir la presión.

Se dividen en: 1.° elementos primarios de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocidas (barómetro cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular, manómetro de campana), y 2.° elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen.

Los elementos primarios elásticos más empleados son: el tubo Bourdon, el elemento en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle.

MANÓMETROS

Un manómetro es un dispositivo que mide la intensidad de una fuerza aplicada (presión) a un líquido o gas. Estos pueden ser de dos clases:

1. Los que equilibran la presión desconocida con otra que se conoce. A este tipo pertenece el manómetro de vidrio en U, en el que la presión se determina midiendo la diferencia en el nivel del líquido de las dos ramas.

2. Los que la presión desconocida actúa sobre un material elástico que produce el movimiento utilizado para poder medir la presión. A este tipo de manómetro pertenece el manómetro de tubo de Bourdon, el de pistón, el de diafragma, etc.

Manómetro de Bourdon

Para una operación segura y eficiente, los sistemas de potencia fluida se diseñan para funcionar a una presión y/o una temperatura específicas, o dentro de una gama de presión y/o de temperaturas. El tubo Bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón. La ley de deformación del tubo Bourdon es bastante compleja y ha sido determinada empíricamente a través de numerosas observaciones y ensayos en varios tubos.

El material empleado normalmente en el tubo Bourdon es de acero inoxidable, aleación de cobre o aleaciones especiales como hastelloy y monel.

Se detalló en otras páginas de éste sitio, que el poder lubricante de líquidos hidráulicos varía con temperatura y que temperaturas excesivamente altas reducen la vida de los líquidos hidráulicos. También hay que tener en cuenta que los materiales, las dimensiones, y el método de fabricación de los componentes potencia fluida limitan la presión y la temperatura en las cuales un sistema funciona.

La mayoría de los sistemas de potencia fluidos se proporcionan con los correspondientes manómetros y termómetros para medir e indicar la presión y/o la temperatura en el sistema. Además, varios interruptores de presión o temperatura excesiva se utilizan para advertir de una condición adversa de presión o de temperatura. Algunos interruptores incluso interrumpirán el sistema de cuando ocurre una condición adversa. Estos dispositivos serán discutidos a continuación.

INDICADORES DE PRESIÓN

Muchos instrumentos de medición de presión se llaman manómetros. Sin embargo, las páginas siguientes serán restringidas a dos instrumentos mecánicos que contienen elementos elásticos que responden a las presiones encontradas en sistemas de potencia fluida – el tubo Bourdón y los manómetros de fuelles.

Fig. : Indicador de presión de tubo de Bourdón tipo simplex.

MANÓMETROS DE TUBO DE BOURDÓN

La mayoría de los indicadores de presión en uso tiene un tubo Bourdón como elemento de medición. (El manómetro se lama así por su inventor, Eugene Bourdon , un ingeniero francés.) El tubo de Bourdón es un dispositivo que detecta la presión y convierte la presión en desplazamiento. Puesto que el desplazamiento de tubo de Bourdón es una función de la presión aplicada, ésta puede ser amplificada e indicada mecánicamente por una aguja en un dial. Así, la posición del indicador indica indirectamente la presión.

Este manómetro consiste de una carátula o dial calibrada en unidades psi o Kpa y una aguja indicadora conectada a través de una articulación a un tubo curvado de metal flexible llamado tubo de Bourdón. El tubo de Bourdón se encuentra conectado a la presión del sistema.

Conforme se eleva la presión en un sistema, el tubo de bourdon tiende a enderezarse debido a la diferencia en áreas entre sus diámetros interior y exterior. Esta acción ocasiona que la aguja se mueva e indique la presión apropiada en la carátula.

El manómetro de tubo de Bourdón, es por lo general, un instrumento de precisión cuya exactitud varia entre 0,1% y 3% de su escala completa. Son empleados frecuentemente para fines de experimentación y en sistemas donde es importante determinar la presión.El manómetro de Bourdón viene disponible en varias formas del tubo: curvado o forma de “C”, helicoidal, y espiral. El tamaño, la forma, y el material del tubo dependen del rango de presión y del tipo de indicador deseados. Los tubos de Bourdón de baja presión (presiones hasta 2000 psi) se hacen a menudo de bronce fosforoso. Los tubos de Bourdón de alta presión (presiones sobre 2000 psi) se hacen de acero inoxidable o de otro material de alta resistencia. Los tubos de Bourdón de alta presión tienden a tener secciones transversales circulares a diferencia de sus contrapartes de bajo rango que tienden a tener secciones transversales ovales. El tubo de Bourdón de uso mas extenso es el tubo de metal en forma de “C” que viene sellado en un extremo y se abierto en el otro (ver figura adjunta arriba). Tubo de Bourdón en forma de “C”

El tubo de Bourdón en forma de “C” tiene una sección transversal hueca y elíptica. Es cerrado en un extremo y está conectado a la presión del fluido en el otro extremo. Cuando se aplica presión, su sección transversal se vuelve más circular, haciendo que el tubo se extienda hacia fuera, como una manguera de jardín al abrir el agua, hasta que la fuerza de la presión del fluido sea balanceada por la resistencia elástica del material del tubo. Puesto que el extremo abierto del tubo se ancla en una posición fija, los cambios de presión se traducen en un desplazamiento del extremo cerrado. Un indicador se fija al extremo cerrado del tubo a través de un conjunto compuesto por un brazo de acoplamiento mecánico, un engranaje y un piñón, que gira el puntero o indicador alrededor de una escala graduada.

Fig.: Indicador de presión tipo tubo de Bourdon Dúplex

Los manómetros de presión tipo tubo de Bourdón se clasifican generalmente como simplex o dúplex , dependiendo de si miden una presión o dos presiones. Un manómetro simplex tiene solamente un tubo de Bourdón y mide solamente una presión. El manómetro mostrado en la figura adjunta es del tipo simplex. Una mano roja está disponible en algunos manómetros. Esta mano se coloca manualmente en la presión de funcionamiento máxima del sistema o porción del sistema en el cual el manómetro está instalado.

Cuando dos tubos de Bourdón se montan en un solo bloque, con cada mecanismo actuando independientemente, pero con los dos indicadores montados en un dial común, el dispositivo recibe el nombre de manómetro dúplex. La figura adjunta muestra un manómetro dúplex con dial y el mecanismo de funcionamiento. Observe que cada tubo de Bourdón tiene su propia conexión de presión y su propio indicador. Los manómetros dúplex se utilizan para dar una indicación simultánea de la presión desde dos ubicaciones diferentes. Por ejemplo, puede ser utilizada para medir las presiones de entrada y salida de un regulador de presión para obtener la presión diferencial a través del mismo.

Fig.: Indicador de presión diferencial con tubos de Bourdon.

La presión diferencial se puede también medir con los tubos de los manómetros de Bourdón. Una clase de manómetro de presión de diferencial de tubo de Bourdón se ve en la figura adjunta. Este indicador de presión tiene dos tubos de Bourdón pero solamente un indicador. Los tubos de Bourdón están conectados de una manera tal que indiquen la diferencia de la presión, en vez de cada una de las dos presiones reales.

Según lo mencionado anteriormente, los indicadores de presión de tubo Bourdón se utilizan en muchos sistemas hidráulicos. En este caso se conocen generalmente como manómetros hidráulicos. Los manómetros hidráulicos del tipo tubo de Bourdón no son particularmente diferentes de otros tipos de indicadores de presión tipo tubo de Bourdón en la forma en que funcionan; sin embargo, tienen a veces características de diseño especiales debido a las presiones de sistema extremadamente altas a las cuales pueden ser expuestos. Por ejemplo, algunos manómetros hidráulicos tienen un tipo especial de acoplamiento por resorte que sea capaz de absorber sobrepresiones y caídas de presión sin daño al movimiento de la aguja indicadora, y que evite que el indicador retorne con excesiva velocidad a cero cuando la presión se cambia repentinamente. Un manómetro hidráulico que no tenga tal dispositivo se deberá proteger por una válvula de retención conveniente. Algunos manómetros hidráulicos pueden también tener diales especiales que indiquen tanto la presión (en psi) como la fuerza total correspondiente que es aplicada, por ejemplo las toneladas de fuerza producidas por una prensa hidráulica.

Fig. : Tubo de Bourdón espiral.

 

Tubos de Bourdón espiral y helicoidal ( Spiral and Helical Bourdon Tubes )

Los tubos de Bourdón espiral y helicoidal (ver figuras adjuntas) se hacen de tubería con sección transversal aplanada. Ambos fueron diseñados para proporcionar mayor recorrido de la extremidad del tubo, sobre todo para mover la pluma de grabación de registradores de presión. El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando más de una espira en forma de hélice. Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y por ello, son ideales para los registradores.

 

Fig.: Tubo de Bourdón helicoidal.

 

ELEMENTOS DE FUELLES FLEXIBLES

Un fuelle flexible es una unidad enrollada que se expande y contrae axialmente con los cambios en la presión. La presión para ser medida se puede aplicar tanto al exterior como al interior de los fuelles; en la práctica, la mayoría de los aparatos de medición por elementos elásticos como los fuelles tienen la presión aplicada al exterior de los mismos (ver figura adjunta).

 

Fig.: Indicador de fuelle simple

 

Dispositivos de fuelle simple ( Simple bellows elements )

Los elementos elásticos de los fuelles se hacen de latón, de aleación de fósforo y bronce, de acero inoxidable, de cobre al berilio, o de otro metal apropiado para el servicio previsto del manómetro. El movimiento del elemento (fuelle) es transmitido por el acoplamiento y los engranajes convenientes a un indicador de dial. La mayoría de los manómetros de fuelle son con carga a resorte, o sea, un resorte se opone al fuelle y previene así la expansión completa del fuelle. La limitación de la extensión excesiva de los fuelles protege de esta manera a los mismos y prolonga su vida. Debido a la elasticidad tanto de los fuelles como del resorte, en un dispositivo con carga de resorte, la relación entre la presión aplicada y el movimiento del fuelle es lineal.

El diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre sí por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. El sistema se proyecta de tal modo que, al aplicar presión, el movimiento se aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo más amplio posible con un mínimo de histéresis y de desviación permanente en el cero del instrumento.

El material del diafragma es normalmente aleación de níquel o inconel x. Se utiliza para pequeñas presiones.

El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.

Hay que señalar que los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duración, demostrada en ensayos en los que han soportado sin deformación alguna millones de ciclos de flexión. El material empleado para el fuelle es usualmente bronce fosforoso y el muelle es tratado térmicamente para mantener fija su constante de fuerza por unidad de compresión. Se emplean para pequeñas presiones.

 

 

Fig.: Sensor de presión diferencial de fuelle doble.

 

Indicadores a fuelle dual (Dual bellows indicators).

Otro tipo de dispositivo a fuelle es el elemento de fuelle dual. La figura adjunta es un diagrama esquemático de este indicador. Los indicadores de presión de fuelle dual se utilizan ampliamente en la marina de guerra como dispositivos medidores de caudal, indicadores de nivel, o de presión.

Al estar en funcionamiento, los fuelles se moverán en proporción a la diferencia de presión aplicada a la unidad de fuelles. El movimiento lineal de los fuelles es detectado por un brazo de impulsión y transmitido como movimiento rotatorio a través de un conjunto de tubo del torque. El mecanismo de indicación, multiplica la rotación del torque a través de un engranaje y de un piñón que se ve reflejado en la aguja indicadora.

Los dispositivos a fuelle se utilizan en varias aplicaciones donde el elemento sensible a la presión debe ser bastante poderoso para hacer funcionar, no sólo la aguja indicadora, sino también un algún tipo de dispositivo de registro donde dejar constancia de las variaciones detectadas.

 

 

1. CUERPO
2. PISTON ACTUADOR
3. RESORTE
4. ASIENTO
5. PISTÓN PILOTO
6. RESORTE PILOTO
7. TORNILLO DE AJUSTE DE ÉMBOLO
8. TORNILLO DE AJUSTE
9. CONTRATUERCA DE TORNILLO DE AJUSTE
10. INTERRUPTOR FIN DE CARRERA

Fig. : Presostato electro-hidráulico .

Interruptor de presión o presóstato

A menudo cuando una presión medida alcanza cierto máximo o un valor mínimo, es deseable que una alarma haga sonar una advertencia, una luz para dar una señal, o que active un sistema de control auxiliar para energizarse o de desenergizarse. Un interruptor de presión o presóstato es el dispositivo de uso general con este fin.

Uno de los interruptores de presión más simples es el de tipo unipolar con una posición y disparo rápido ( single-pole, single-throw, quick-acting) , como se ve en la figura adjunta. Este interruptor está contenido en una caja de metal que tenga una cubierta extraíble, una conexión eléctrica, y una conexión de medición de presión. El interruptor contiene fuelles metálicos sin costura situados en su cubierta. Los cambios en la presión medida hacen que los fuelles trabajen contra un resorte ajustable. Éste resorte determina la presión requerida para accionar el interruptor. A través de un acoplamiento conveniente, el resorte hace los contactos abran o cierren el circuito eléctrico automáticamente cuando la presión de funcionamiento baja, o se eleva por encima de un valor especificado. Un imán permanente en el mecanismo del interruptor proporciona un broche de presión positivo tanto en la apertura y como el cierre de los contactos. El interruptor se encuentra energizado constantemente. Sin embargo, es el cierre de los contactos que energiza el circuito eléctrico entero.

Otro interruptor de presión es un conjunto hidráulico eléctrico que se utiliza para desconectar el motor de la bomba siempre que la presión de sistema exceda un valor máximo predeterminado (ver figura). El interruptor se monta en la cubierta de la bomba de modo que los puertos de presión baja anteriores drenen directamente en la cubierta de la bomba.

Este interruptor de presión consiste principalmente en una válvula hidráulica fijada por brida, a la cual se fije un interruptor de límite eléctrico normalmente cerrado.

La válvula consiste en dos componentes hidráulicamente interconectados, el subconjunto de la válvula piloto, que va roscado en la parte inferior del cuerpo (l), funciona para detectar la presión de sistema continuamente e inicia la acción del interruptor de presión siempre que esta presión exceda el valor de consigna ajustado en el piloto. La presión de sistema es dirigida dentro del puerto inferior y aplicada contra la extremidad expuesta del pistón piloto (5). Este pistón es sostenido en su asiento por la compresión del resorte del pistón (6) que es dependiente de la posición del tornillo de reglaje (8). Siempre que la presión haga una fuerza suficientemente grande para levantar el pistón piloto de su asiento, el fluido se desplaza a través de un paso de interconexión al compartimiento del pistón de impulsión (2). La fuerza fluida resultante levanta el pistón de impulsión contra la fuerza del resorte (3) y causa la depresión del émbolo interruptor extendido. Esto, a la vez, desconecta el interruptor eléctrico contenido, que se puede conectar en el sistema de suministro eléctrico del motor de la bomba.

Los interruptores de presión vienen en muchos tamaños y configuraciones dependiendo de cómo serán utilizados.

Fig.: Presóstato. Conjunto de doble fuelle

Los medidores de presión absoluta consisten en un conjunto de fuelle y muelle opuesto a un fuelle sellado al vacío absoluto. El movimiento resultante de la unión de los dos fuelles equivale a la presión absoluta del fluido. El material empleado para los fuelles es latón o acero inoxidable. Se utilizan para la medida exacta y el control preciso de bajas presiones, a las que puedan afectar las variaciones en la presión atmosférica. Por ejemplo, en el caso de emplear un vacuómetro para el mantenimiento de una presión absoluta de 50 mm de mercurio en una columna de destilación, el punto de consigna sería de 710 mm, con una presión atmosférica de 760 mm. Si la presión atmosférica cambiase a 775 mm el vacuómetro indicaría: 710 + 15 = 725 mm con lo cual la presión absoluta enla columna sería controlada a 50 + 15 = 65 mm, es decir, a un 30 % más de la deseada.

Manómetro de Pistón

Este manómetro consiste de un pistón conectado a la presión del sistema, un resorte desbalanceador, una aguja y una carátula calibrada en unidades apropiadas, PSI o Kpa.

Conforme la presión se eleva en un sistema, el pistón se mueve por esta presión, la que actúa en contra de la fuerza del resorte desbalanceador. Este movimiento ocasiona que la aguja indique en la escala la presión apropiada.

Manómetro de diafragma

Este manómetro posee una lámina ondulada o diafragma que transmite la deformación producida por las variaciones de presión

Manómetro de Fuelle

Este manómetro utiliza como elemento elástico un fuelle de tipo metálico el cual al recibir la fuerza proveniente del líquido, tiende a estirarse, con lo cual transmite a la aguja el movimiento para indicar en la carátula el valor de presión.

Vacuómetro

Los manómetros, como hemos visto, marcan presiones superiores a la atmosférica, que son las empleadas en hidráulica, pero también es necesario medir presiones inferiores a la atmosférica por ejemplo, a la entrada de la bomba donde la presión es inferior a la atmosférica y la depresión debe ser mínima. Los aparatos que miden este vacío se llaman vacuómetros. Están calibrados en milímetro de mercurio. 30 pulgadas de mercurio (Hg) = 760 mm de Hg. 30 pulgadas de mercurio es el vacío perfecto.

Temas relacionados :

Práctica de laboratorio o de taller: Determinación de la curva de calibración de un manómetro de Bourdón. Medidor de peso muerto.

 

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