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Fluid pressure systems

Pressure measurement not only is critical to the safe and optimum operation of such industrial processes as air and other gas compression; hydraulic equipment operation; separating operations, such as absorption, desorption, distillation, and filtration; steam generation; and vacuum processing—but other process variables, such as the contents level of tanks (hydrostatic pressure) and flow (differential pressure) can be inferred from pressure measurements. Pressure, of course, is the key to applying pneumatic transmitters and controllers. Further, pressure sometimes is selected over temperature as the variable to control. Air pressure also activates diaphragm motor valves.

Pressure instrumentation ranges widely from the comparative simplicity of low-cost bourdon- and bellows-actuated gages to some of the contemporary complex and sophisticated pressure sensors transducers (transmitters) that have appeared in very recent years. Modern pressure transmitters differ from their historical counterparts mainly in two design respects:

1. Mechanical transducers utilizing links, levers, and pivots, having been replaced by electric and electro-optic transducers, which permits varying degrees of miniaturization of the force-receiving sensors

2. Introduction of what is commonly termed “smart” or “intelligent” electronics into transmitter design, notably the incorporation of a microprocessor along with other ingenious electronic circuitry

A recent survey of users indicates that about one-third of the modernized electronic pressure transmitters sold today are of the smart variety, and with an increasing rate of acceptance, even though costs run somewhat higher than for the simpler versions.

It is interesting to note that progress in the pressure transmitter field has stemmed mainly from discoveries and developments in the electronics and computer industries. Because of the dynamics of these industries, it would be unrealistic to assume that pressure transmitters or, in fact, any other areas of industrial instrumentation have reached a status that could be identified as mature. Thus the field will remain in a transitory phase for some time to come, which makes selection a continuing difficult task.


Sistemas de presión de fluidos.

La medición de presión no sólo es crítica para la seguridad y operación óptima de procesos industriales tales como la compresión del aire y de otros gases; la operación de equipamiento hidráulico; operaciones de separación tales como la absorción, desorción, destilación y filtración; generación de vapor y proceso de vacío – pero otras variables, tales como el nivel de contenido de tanque (presión hidrostática) y caudal ( presión diferencial) pueden ser obtenidas desde las mediciones de presión. La presión, por supuesto, es la clave para aplicar a los transmisores y controladores neumáticos. Mas aún, la presión es a veces seleccionada sobre la temperatura como variable de control. La presión de aire activa además válvulas motor a diafragma. La instrumentación de presión varía ampliamente desde la simplicidad comparativa de los manómetros de Bourdon y de fuelle a algunos complejos sensores transductores de presión sofisticados contemporáneos (transmisores) que han aparecido en años recientes. Los modernos transmisores de presión difieren de sus contrapartes históricas principalmente en dos aspectos de diseño:

1. Los transductores mecánicos utilizando uniones, palancas y pivotes que han sido reemplazados por transductores electro-ópticos, que permitan variados grados de miniaturización de los sensores receptores de fuerza.

2. Introducción de lo que es comúnmente identificado con electrónica “inteligente” en el diseño de transmisores, notablemente la incorporación de un microprocesador acompañados de ingeniosos circuitos electrónicos.

Una reciente encuesta de los usuarios indica que aproximadamente un tercio de los transmisores electrónicos de presión vendidos en la actualidad son del tipo inteligente, y con un creciente incremento de aceptación, aún a pesar de que los costos corren un poco mas altos que las versiones mas simples.

Es interesante notar que dicho progreso en el campo de los transmisores de presión ha surgido principalmente a partir de descubrimientos y desarrollos en las industrias de electrónica y de computadores. Debido a la dinámica de estas industrias, sería irrealista suponer que los transmisores de presión o, de hecho, cualquier otra área de la instrumentación industrial haya alcanzado un status que podría ser identificado de maduro. Así el campo permanecerá en una fase transitoria por algún tiempo futuro, lo que hace la selección una continuada tarea difícil.

Manometers

Because of their inherent accuracy, manometers are used for the direct measurement of pressure and vacuum. Although some rugged designs can be used in the field and on-line, manometers largely serve as standards for calibrating other pressure-measuring instruments.

Figura 1: U-tube manometer

 

Manómetros

Debido a su precisión inherente, los manómetros son usados para la medición directa de la presión y vacío. A pesar de que algunos diseños rústico pueden ser usados en campo y en línea, los manómetros sirven en gran medida como estándares para calibra otros instrumentos de medición de presión.

Figura 1: Manómetro tubo en U.

U-Tube Manometer.

This is a simple yet accurate method for measuring pressure based upon the influence of pressure on the height of a column of liquid. The best-known form is the U-tube manometer shown in Figure 1. If pressure is exerted to one side of the U-tube as shown, the liquid is displaced, causing the height in one leg to drop and the other to rise. The difference in height h between the fluid-filled legs indicates the pressure. The measurement is usually taken visually by reading the height from the scale incorporated into the instrument.

A glass U-tube is partially filled with liquid, and both ends are initially open to the atmosphere (Fig. 1).

When a gage pressure P2 is to be measured, it is applied to the top of one of the columns and the top of the other column remains open. When the liquid in the tube is mercury, for example, the indicated pressure h is usually expressed in inches (or millimeters) of mercury. To convert to pounds per square inch (or kilograms per square centimeter),

P2 = dh

where P2 = pressure, psig (kg/cm2)

d = density, lb/in3 (kg/cm3)

h = height, inches (cm)

For mercury, the density is 0.490 lb/in3 at 60ºF (15.6ºC), and the conversion of inches of mercury to pounds per square inch becomes

P2 = 0.490h

The density of water at 60ºF (15.6ºC) is 0.0361 lb/in3, and if water is used in a manometer, the conversion of inches of water to pounds per square inch becomes

P2 = 0.0361h

The same principles apply when metric units are used. For example, the density of mercury at 15.6ºC (60ºF) may also be expressed as 0.0136 kg/cm3, and the conversion of centimeters of mercury to kilograms per square centimeters

P2 = 0.0136h

For measuring differential pressure and for static balance,

P2 − P1=dh

The U-tube manometer principle has also been utilized in industry in an instrument usually called a differential-pressure manometer. In this device the tubes are expanded into chambers and a float rides on top of the liquid in one of the chambers. The float positions an outside pointer through a pressure tight bearing or torque tube.

The disadvantages associated with manometers include their slow response (they are not suitable for dynamic applications) and the limited range of pressures for which they are suitable.

Well Manometer.

In this design one leg is replaced by a large diameter well so that the pressure differential is indicated only by the height of the column in the single leg. The ratio of diameters is important and should be as great as possible to reduce the errors resulting from the change in level in the large-diameter well (Fig. 2).

The pressure difference can be read directly on a single scale. For static balance,

Manómetro con tubo en “U”.

Este es un método simple pero a la vez preciso de medir presión basándose en la influencia de la presión sobre la altura de una columna de líquido. La forma mejor conocida es el manómetro de tubo en “U” mostrado en la figura 1. Si la presión es ejercida sobre un lado del tubo en U como se muestra, el líquido es desplazado, causando que la altura en una pierna caiga y que en la otra se eleve. La diferencia en altura h entre las piernas llenas de fluido indica la presión. La medición es usualmente tomada en forma visual por la lectura de la altura de una escala incorporada en el instrumento.

Un tubo de vidrio con tubo en “U” es parcialmente llenado con líquido, y ambos extremos son inicialmente abiertos a la atmósfera (figura 1).

Cuando una presión de manómetro P2 va a ser medida, la misma es aplicada a la parte superior de una de las columnas y la parte superior de la otra columna permanece abierta. Cuando el líquido en el tubo es mercurio, por ejemplo, la presión h indicada es usualmente expresada en libras (o milímetros) de mercurio. Para convertir las libras por pulgada cuadrada ( o kilogramos por centímetro cuadrado),

P2 = dh

donde P2 = presión, psig (kg/cm2)

d = densidad, lb/in3 (kg/cm3)

h = altura, inches (cm)

Para el mercurio, la densidad es 0,490 lb/in3 a 60ºF (15.6ºC), y la conversión de pulgadas de mercurio a libras por pulgada cuadrada se vuelve

P2 = 0.490h

La densidad del agua a 60ºF (15,6ºC) es 0,0361 lb/in3, y si el agua es usada en un manómetro, la conversión de pulgada de agua a libras por pulgada cuadrada se vuelve

P2 = 0,0361h

Los mismos principios se aplican cuando las unidades métricas son usadas. Por ejemplo, la densidad del mercurio a 15,6ºC (60ºF) puede además ser expresada como 0.0136 kg/cm3, y la conversión de centímetros de mercurio a kilogramos por centímetros cuadrados.

Para medir presiones diferenciales y para balance estático,

P2 − P1=dh

El principio del manómetro con tubo en U ha sido además utilizado en la industria como un instrumento usualmente llamado manómetro de presión diferencial. En este dispositivo los tubos son expandidos dentro de cámaras y un flotante se desplaza en la parte superior del líquido en una de las cámaras.  El flotante posiciona un puntero exterior mediante un rodamiento hermético a la presión o tubo torque.

Las desventajas asociadas con lo manómetros incluyen su lenta respuesta ( los mismos no son apropiados para aplicaciones dinámicas) y el limitado rango de presiones para los cuales estos son adecuados.

Manómetro tipo pozo.

En este diseño (también llamado manómetro tipo columna única), una pierna es reemplazada por un pozo de gran diámetro de manera que la presión diferencias sea indicada sólo por la altura de la columna en una única pierna. La relación de diámetros es importante y deberá ser tan grande como sea posible para reducir los errores resultantes del cambio en el nivel en el pozo de gran diámetro. (figura 2).

La diferencia de presión puede ser leída directamente sobre una escala única. Para balance estático,

Where :

A1 = area of smaller-diameter leg

A2 = area of well

Donde :

A1= área de la pierna de menor diámetro

A2 = área del pozo

Figure 2. Well manometer. - Figura 2. Manómetro tipo pozo

If the ratio of A1/A2 is small compared with unity, then the error in neglecting this term becomes negligible, and the static balance relation becomes

Si la relación de A1/A2 es pequeña comparada con la unidad, entonces el error en despreciar éste término se vuelve insignificante, y la relación de balance estático se vuelve

P2 − P1= dh

 

On some manometers this error is eliminated by reducing the spacing between scale graduations by the required amount.

En algunos manómetros este error es eliminado al reducir el espacio entre graduaciones de escala por la cantidad requerida

Inclined-Tube Manometer.

In this device, so as to read small pressure differentials more accurately, the smaller-diameter leg is inclined (Fig. 3). This produces a longer scale so that

h = L sin α

Manómetro de tubo inclinado.

En este dispositivo, de manera de leer pequeños diferenciales de presión mas precisamente, la pierna de menor diámetro está inclinada (figura 3). Esto produce una escala mas larga de manera que

h = L sen α

 

Figure 3- Inclined-tube manometer. Figura 3- Manómetro de tubo inclinado

 

Bell-Type Manometer.

This device utilizes a container immersed in a sealing liquid. The pressure to be measured is applied to the inside of the bell, the motion of which is opposed by a restricting spring (Fig. 4a). In the bell-type differential-pressure gage, pressures are applied to both the outside and the inside of the bell. Motion is restricted by an opposing spring (Fig. 4b).

Manómetro tipo campana.

Este dispositivo utiliza un contenedor inmerso en un líquido de sellado. La presión a ser medida es aplicada al interior de la campana, cuyo movimiento es opuesto a un resorte restrictivo (figura 4a). En el manómetro de presión diferencial del tipo campana, las presiones son aplicadas tanto al exterior como al interior de la campana. El movimiento está restringido por un resorte opuesto (figura 4b)

Figure 4 Bell-type manometers. (a) Liquid-sealed bell. (b) Differential-pressure gage.

Figura 4. Manómetros tipo campana. ( a) Campana con líquido de sellado. (b) manómetro de presión diferencial

Liquid Barometer

A simple barometer may be constructed from a glass tube that is closed at one end and open at the other. The length of the tube must be greater than 30 inches (76.2 cm). The tube is first completely filled with mercury, the open end temporarily plugged, and then the plugged end placed in a container partially filled with mercury.

When the plug is removed, the mercury in the tube will drop by a certain amount, creating a vacuum at the top of the tube. The height of the column, as measured in Fig. 5 and expressed in inches or millimeters of mercury, will then be proportional to the atmospheric pressure.

Barómetro líquido

Un simple barómetro puede ser construido a partir de un tubo de vidrio que esté cerrado en un extremo y abierto en el otro. La longitud del tubo debe ser mayor de 30 pulgadas (76,2 cm). El tubo está primero completamente lleno de mercurio, el extremo abierto temporariamente tapado, y luego el extremo tapado colocado en un contenedor parcialmente lleno de mercurio.

Cuando el tapón es quitado, el mercurio en el tubo caerá en una cierta cantidad, creando un vacío en la parte superior del tubo. La altura de la columna, como se mide en la figura 5 y expresada en pulgadas o milímetros de mercurio, será entonces proporcional a la presión atmosférica.

Figure 5- Liquid barometer. Figura 5. Barómetro líquido

Absolute-Pressure Manometer.

This type of gage comprises a glass U-tube partially filled with mercury, with the top of one leg evacuated and sealed (Fig. 6). The pressure to be measured is applied to the other leg, and h may be read in units of mercury absolute. To convert to pounds per square inch absolute (psia),

P = 0.490h

Manómetro de presión absoluta.

Este tipo de indicador comprende un tubo en “U” de vidrio parcialmente lleno de mercurio, con la parte superior de una pierna evacuada y sellada ( figura 6). La presión a ser medida es aplicada a la otra pierna, y h puede ser leído en unidades de mercurio absoluto. Para convertir a libras por pulgada cuadrada absolutas (psia),

P = 0.490h

 

Figure 6 Absolute-pressure gage (manometer). Figura 6. Indicador de presión absoluta (manómetro)

where P is absolute pressure in psia. If h is indicated in centimeters, this value may be converted to kilograms per square centimeter absolute by multiplying by 0.0136.

McLeod Gage (Liquid Manometer).

This device is designed for vacuum measurement. It functions essentially as a pressure amplifier.

If, for example, 100 cm3 (volume V in Fig. 7) of permanent gas is compressed into a section of capillary having a volume of 0.1 cm3, the resulting pressure reading is amplified 1000 times. This principle allows pressure measurements into the 10−6 Torr region, considerably below the 10−2 Torr range of precision manometers.

If we assume that the volume V of gas trapped at the unknown pressure p (in centimeters of mercury for convenience) obeys Boyle’s law, then pV = (p+H)A where A, is the cross section of the closed capillary in square centimeters, and

donde P es la presión absoluta en psia. Si h está indicado en centímetros, este valor puede ser convertido a kilogramos por centímetro cuadrado absoluto al multiplicar por 0,0136.

Indicador de presión McLeod ( Manómetro líquido)

Este dispositivo está diseñado para medidas de vacío. El mismo funciona esencialmente como amplificador de presión.

Si, por ejemplo, 100 cm3 (volumen V en la figura 7) de gas permanente es comprimido en una sección de capilar teniendo un volumen de 0,1 cm3, la lectura de la presión resultante es amplificada 1000 veces. Este principio permite mediciones de presión dentro de la región de los 10−6 Torr, considerablemente debajo del rango de los 10−2 Torr de los manómetros de precisión.

Si suponemos que el volumen V de gas atrapado a la presión desconocida  p ( en centímetros de mercurio por conveniencia) obedece a la ley de Boyle, entonces pV = (p+H)A, donde A es la sección transversal del capilar cerrado en centímetros cuadrados, y

FIGURE 7 Two versions of McLeod gage.  -  Figura 7. Dos versiones del manómetro McLeod

 

In practice, HA is quite negligible when compared with volume V, with p = 10AH2/V Torr, and with other values expressed in centimeters.

A conveniently small McLeod gage may have a volume V of 200 cm3, with a capillary cross section A of 0.02 cm2 and a length of 10 cm. Thus for H = 0.1 cm, p = 5 × 10−6 Torr, which would be the limit of unaided visual resolution and the reading could be wrong by 100 percent. At H = 1 cm, p = 5 × 10−4 Torr, the possible error becomes 10 percent. For various reasons, the only significant improvement in accuracy can be achieved by an increase in volume V.

A carefully constructed no portable gage with a 1300cm3 volume gives reproducible readings of ±0.5, ±0.6, ±2, and ±6 percent at pressures of 10−2, 10−3, 10−4, and 10−5 Torr, respectively.

The errors for other volumes can be estimated to be no lower than those based on volume proportionality.

Thus in the previous example with V = 200 cm3and p = 10−4 Torr, percent error = (1300/200) × 2 = 13 percent, which is in good agreement with the previous rough estimate of 10 percent.

Since the measured pressure in a McLeod gage is derived from basic (linear) dimensions, it is the industrial pressure standard with reference to which all other vacuum gages are calibrated. However, it should be emphasized that only the pressure of permanent gases is measured correctly. On account of the high compression ratio employed, vapor pressure of a substance of several tenths of a torr would not be detected with condensed liquid occupying negligible volume and not being visible to the eye.

A highly portable version of the McLeod gage is shown in Fig. 8.

En la práctica, HA es casi despreciable al ser comparado con el volumen V, con p = 10AH2/V Torr, y con otros valores expresados en centímetros.

Un indicador de presión McLeod convenientemente pequeño puede tener un volumen V de 200 cm3, con una sección transversal capilar A de 0,02 cm2  y con una longitud de 10 cm. Así para H = 0,1 cm, p = 5 × 10−6 Torr, lo que sería el límite de resolución visual sin ayuda  y la lectura podría ser errónea al 100%.  A H = 1 cm, p = 5 × 10−4 Torr, el posible error se vuelve 10% . Por varias razones, el único mejoramiento significativo en la precisión puede ser alcanzado por un incremento en el volumen V.

Un indicador de presión no portátil cuidadosamente construido con un volumen de 1300 cm3 da lecturas reproducibles de 0,5; ±0,6; ±2, y ±6 por ciento a presiones de 10−2, 10−3, 10−4, y 10−5 Torr, respectivamente.

Los errores para otros volúmenes pueden ser estimados que sean no menores que aquellos basados en la proporcionalidad de volumen.

Así en el ejemplo previo con V=200 cm3 y p = 10−4 Torr,  porcentaje de error = (1300/200) × 2 = 13 porciento, lo que está en buen acuerdo con la estimación gruesa previa de 10 porciento.

Dado que la presión medida en un indicador McLeod está derivada de las dimensiones (lineales) básicas, es la presión industrial estándar con referencia a la cual todos los otros indicadores de vacío son calibrados. Sin embargo, se debería enfatizar que sólo la presión de los gases permanentes es medida correctamente. En relación con la alta relación de compresión empleada, la presión de vapor de una sustancia de varias décimas de un torr no sería detectada con el líquido condensado ocupando un volumen despreciable y sin ser visto por el ojo.

Una versión portátil de un indicador de McLeod es mostrada en la figura 8.

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FIGURE 8 Portable tilting-type McLeod gage. Figura 8. Indicador portátil tipo McLeod tipo basculante

 

 

 

 

 

 
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