Introducción
La presión es la fuerza aplicada sobre un área específica. La presión puede ser ejercida por todas las formas de materia; sólidos, líquidos e incluso gases. La medición de la presión del fluido es particularmente útil en términos de monitoreo y control de procesos en sistemas de automatización industrial. Este artículo tiene como objetivo discutir transmisores de presión diferencial. Son uno de los sensores de presión más utilizados para obtener información sobre la presión, como el caudal de los sistemas basados en fluidos.
¿Qué es un transmisor de presión diferencial?
Cuando se trata de monitorear la presión en fluidos, existen tres técnicas de medición:
- Presión manométrica
La presión manométrica es la diferencia de presión entre el fluido medido y la presión atmosférica.
- Presión absoluta
La presión atmosférica y de fluido combinada se conoce como presión absoluta.
- Presión diferencial
La presión diferencial es la diferencia de presión en dos puntos distintos en el mismo fluido/gas.
Si bien todas estas técnicas pueden sonar diferentes entre sí, las tres están relacionadas entre sí.
Un transmisor de presión diferencial (también conocido como transmisor DP) es un tipo especial de sensor de presión. Puede medir dos presiones diferentes y restar una de la otra; de ahí el nombre diferencial. Los sensores de presión diferencial se utilizan comúnmente en medios de transmisión de fluidos para determinar el caudal.
El término transmisor de presión y transductor de presión a menudo van juntos. Sin embargo, en cuanto a la funcionalidad, son diferentes entre sí. Los transductores de presión son más simples que los transmisores de presión y contienen un circuito electrónico mínimo. Ambos tipos de sensores tienen una película delgada o piezorresistiva montada en una conexión de proceso.
Los transductores de presión emiten directamente señales analógicas desde el elemento piezoeléctrico. La señal suele estar en el rango de milivoltios. Necesitan un circuito de procesamiento externo para acondicionar esta señal sin procesar para luego enviarla a un controlador como un PLC.
Sin embargo, los transductores de presión tienen circuitos de procesamiento adicionales incorporados. Esto incluye la linealización, la amplificación y el acondicionamiento adicional de la señal que se transmitirá a un receptor remoto. Consisten en circuitos integrados de transductor y transmisor para formar una sola unidad capaz de producir una señal que se puede alimentar directamente a un PLC.
Principio de funcionamiento del transmisor de presión diferencial
Como se mencionó anteriormente, los transmisores de presión diferencial tienen múltiples secciones que adquieren, acondicionan y transmiten las señales de presión. En la construcción mecánica, hay tres partes principales:
- Elemento primario
- Elemento secundario
- Electrónica
El elemento primario es una construcción mecánica especial que introduce una diferencia de presión en el flujo de fluido. Puede ser un tubo Venturi, una placa de orificio, un tubo Pitot, una boquilla de flujo o un elemento de flujo laminar.
El elemento primario crea un diferencial de presión en el flujo de fluido al agregar una barrera artificial utilizando una de las barreras mecánicas mencionadas anteriormente. El elemento secundario recoge las presiones en dos puntos, antes y después de la barrera.
El elemento primario a menudo se conoce como 'lado alto' y el elemento secundario como 'lado bajo'. Esto no debe malinterpretarse como que el lado alto tiene una presión más alta y el lado bajo tiene una presión más baja.
La sección primaria tiene una conexión con el elemento secundario a través de alguna forma de acoplamiento de fluido aislante o un acoplamiento mecánico. El fluido a menudo se basa en silicona, ya que la silicona es un buen aislante térmico y es químicamente estable. Hay varios tipos de sensores disponibles en los transmisores de presión diferencial como su elemento secundario:
- Transductores de presión de capacitancia diferencial
- Transductores de presión de cuerda vibrante
- Transductores de presión de galgas extensométricas
El elemento secundario convierte el diferencial de presión detectado en una pequeña señal de voltaje. La electrónica capta esta señal de voltaje y la acondiciona aún más. Esto incluye filtrado, normalización, amplificación, muestreo y conversión a señal de corriente/voltaje.
La sección electrónica luego genera una salida lineal relacionada con el rango de presión medido. Por ejemplo, si el sensor es capaz de medir una presión diferencial de 0-100 psi y es del tipo de salida de corriente, emitirá 4 mA a 0 psi y 20 mA a 100 psi. Cualquier presión intermedia tendrá el valor actual correspondiente. (es decir, 8 mA para 50 psi)
Elementos del transmisor de presión diferencial
Como se mencionó anteriormente, los transductores de presión diferencial tienen 3 elementos principales; Elementos de montaje primarios, secundarios y electrónicos.
Veamos brevemente los elementos primarios comunes y su construcción.
Elementos primarios
- Placas de orificio
Las placas de orificio son una de las formas más simples de elementos primarios. Introducen una caída de presión en el flujo al introducir una restricción. El orificio siempre tiene un diámetro menor que la tubería que se conecta.
El transductor de presión de placa de orificio tiene dos conexiones de salida de presión para conectar el dispositivo a un dispositivo de control de presión externo. En los transmisores de presión diferencial, este se conecta al elemento secundario del dispositivo.
- Tubo Venturi
En algunos transmisores de presión, el elemento primario es un tubo venturi. Es un arreglo especial que también restringe el flujo y crea un diferencial de presión. A diferencia del lugar del orificio, el tubo venturi tiene una forma más gradual y las presiones se miden en dos lugares diferentes.
El tubo venturi tiene una entrada, una parte convergente, una garganta (más pequeña que el diámetro típico de la tubería) y una parte divergente que aumenta el diámetro de regreso al diámetro original de la tubería. Las medidas de presión se toman de la sección de entrada y la sección de garganta, que tiene dos diámetros.
El principio utilizado para medir la presión está relacionado con la ecuación de continuidad y ecuación de Bernoulli encuentra en la teoría de la mecánica de fluidos. Los elementos primarios de tipo Venturing se encuentran principalmente en caudalímetros para determinar el caudal.
- Tubo de Pitot
Los tubos de Pitot se utilizan principalmente para medir caudales. Consisten en un tubo doblado que tiene dos aberturas
Un extremo del tubo está abierto a un punto estático en el fluido donde hay baja presión y el otro está directamente en línea con el flujo como se muestra a continuación:
A medida que aumenta el caudal, el líquido atascado en la sección curva del tubo se desplaza para crear un manómetro de líquido, que indica el caudal.
Sin embargo, la instalación de dichos tubos Pitot de dos puertos puede resultar engorrosa. Y tiene las siguientes limitaciones:
- Si la velocidad es demasiado baja, la diferencia de presión puede ser difícil de medir.
- Si la velocidad es demasiado alta (es decir, supersónica/más rápida que la velocidad del sonido), esto también anula los requisitos principales de la ecuación de Bernoulli, lo que la invalida.
- Si el tubo se obstruye, la presión resultante se desvía de los valores de presión reales.
Por lo tanto, existen tubos de Pitot especiales de un solo punto denominados "tubos de Pitot de tipo promediador" que tienen varios tubos de detección aguas arriba, como se muestra a continuación.
Esta configuración supera los problemas mencionados en el tubo pitot-estático.
- Boquilla de flujo
Las boquillas de flujo son otro tipo de elemento primario que se encuentra en los transductores de presión diferencial. Son similares a los tubos de orificio, pero tienen varias ventajas sobre ellos.
Hay pocos tipos de boquillas de lobo: boquillas de caudal con bridas, boquillas de caudal con bridas con grifos de baja presión integrados y boquillas de flujo soldadas.
Las boquillas especiales de flujo tipo wel-din son particularmente útiles en aplicaciones de alta presión y tuberías de pequeño diámetro donde no se pueden usar bridas. La siguiente figura muestra una boquilla de flujo para soldar, que se coloca entre las tuberías y se suelda permanentemente en su lugar.
Estas son algunas de las ventajas de las boquillas de flujo en comparación con los elementos de placa de orificio:
- Las boquillas de flujo no contienen bordes afilados como placas de orificio. Esto hace que las boquillas de flujo sean menos propensas a desgastarse con el tiempo.
- Se prefieren las boquillas de flujo para medir líquidos a alta velocidad.
Ampliamente utilizado en aplicaciones de alta presión y alta temperatura, como flujo de vapor de alta velocidad en turbinas.
- Elemento de flujo laminar
Otro elemento primario interesante es el elemento de flujo laminar. Este consta de múltiples tubos que son mucho más largos que el diámetro de la tubería principal para ralentizar el flujo y hacerlo laminar.
Estos tubos laminares introducen una caída de presión permanente que no se puede recuperar aguas abajo debido al rozamiento que provocan los tubos. La caída de presión es cuantificable usando el Ecuación de Hagen-Poiseuille.
Los elementos de flujo laminar se utilizan para obtener una relación lineal entre el caudal y la caída de presión, lo que elimina la necesidad de una caracterización de raíz cuadrada para linealizar la lectura.
Sin embargo, los dispositivos basados en elementos laminares necesitan una compensación de temperatura ya que la temperatura afecta la viscosidad del líquido y, por lo tanto, la lectura final.
Elementos secundarios
El elemento secundario de un transmisor de presión diferencial consta de los dispositivos que convierten el atributo físico (presión) en una señal eléctrica. Esto se hace usando un 'transductor' que puede tomar cualquiera de las siguientes formas:
- Transductor de presión de galga extensiométrica
Los transductores tipo galga extensiométrica se utilizan para mediciones de presión diferencial y presión de rango estrecho. Tienen un medidor de tensión, una resistencia que cambia su resistencia de acuerdo con la tensión que se le aplica. El medidor de tensión está unido a un diafragma para permitir que la presión se traduzca en tensión.
Se pueden utilizar en todo tipo de transmisores de presión como elemento transductor para medir presiones manométricas, absolutas y diferenciales.
- Transductor de presión de capacitancia
Los transductores de tipo de capacitancia usan un diafragma móvil de acuerdo con la presión aplicada para determinar el diferencial de presión. El diafragma se conecta al elemento primario mediante un líquido de relleno, como silicona líquida.
Esto implica un circuito complejo que oscila. La frecuencia de oscilación se ve afectada por el cambio en la capacitancia, que finalmente se traduce en una señal de CC como salida del sensor.
- Transductor de presión de hilo resonante
Un transductor de presión de hilo resonante consta de un hilo resonante según un circuito oscilador integrado. Cualquier cambio en la presión hace que cambie la tensión del alambre. El cambio en la tensión cambia la frecuencia de oscilación. Dado que esto se puede medir con mucha precisión, los transductores de alambre resonante se encuentran comúnmente en aplicaciones de baja presión diferencial.
Los transductores de presión de hilo resonante son muy estables en condiciones de temperatura estables, pero no son lineales. Por lo tanto, estos requieren la asistencia de un microprocesador para compensar la no linealidad.
Electrónica
La electrónica de un transmisor de presión amplifica, condiciona y convierte aún más la señal sin procesar para transmitirla a un PLC u otro controlador. La salida puede ser,
- Salida de tensión
Una salida de 0-10V o 0-5V según la configuración.
- Salida de corriente
Una salida de corriente de 4-20 mA para alimentar una tarjeta de entrada de PLC.
- Salida digital
Una salida con umbral o un flujo de datos de comunicación digital, como una salida compatible con RS232 o RS485, que proporciona una lectura de presión muestreada digitalmente de alta precisión.
Construcción del transmisor de presión diferencial
Los transmisores de presión diferencial constan de tres secciones principales, el elemento primario, los elementos secundarios y la carcasa de la electrónica.
El elemento primario se monta directamente en la tubería y actúa como elemento de observación de la presión. Esto introduce una diferencia de presión en el flujo de fluido y proporciona dos salidas desde dos puntos con presión de fluido diferente y conocida.
El elemento secundario generalmente se monta justo encima del elemento primario, fuera de la tubería. Esto convierte la presión física en una pequeña señal eléctrica.
El elemento final es la electrónica, que tiene incorporados los circuitos transmisores y de acondicionamiento de señales. Esta etapa lee la medición del elemento secundario, amplifica, filtra y condiciona más para transmitir la lectura a un PLC u otro receptor adecuado.
¿Dónde se utiliza la medición de presión diferencial (DP)?
La aplicación más común para la presión diferencial es la medición del caudal diferencial. Este tipo de aplicación se puede encontrar tanto en entornos domésticos como industriales, como la medición del caudal de líquido en sistemas dispensadores de aceite/agua.
Otras aplicaciones para DP incluyen el monitoreo de filtros, la medición del nivel de líquido y, en algunos casos, el monitoreo del torque del cabezal de perforación. En el monitoreo de filtros, DP se usa para monitorear constantemente los filtros en busca de obstrucciones. Si un filtro está obstruido, la presión diferencial aumenta y la lectura se usa para identificar el problema.
En algunas aplicaciones, la presión del gas, el control de la presión de la bomba de líquido y la detección de fugas en las tuberías de agua también se realizan midiendo la presión diferencial.
¿Para qué se utiliza un transmisor de presión diferencial?
Un transmisor de presión diferencial es capaz de generar una medición de presión diferencial, de acuerdo con una calibración fina. La salida puede ser de tensión, de corriente o una salida digital compatible con equipos industriales estándar.
Los transmisores de presión externos se utilizan para obtener las lecturas sin procesar de los transductores de presión diferencial y convertirlas en señales eléctricas que son lineales y cuantificables de acuerdo con los valores de presión medidos.
Conclusión
Los transmisores de presión diferencial son dispositivos integrados que se pueden utilizar para medir la diferencia de presión en un sistema de fluidos. Las mediciones de un transmisor DP se pueden utilizar para medir el caudal, la presión (presión manométrica, diferencial y absoluta) e incluso la presencia de fluido/gas en algunos casos. Este artículo se emitió para brindar una introducción a los transductores de presión diferencial industriales, su construcción y una breve idea sobre los diferentes tipos de transmisores DP disponibles.
