Medición de presión diferencial en aplicaciones industriales

¿Cómo funcionan los sensores de presión diferencial y en qué se diferencian de otros tipos de sensores? ¿Cuáles son los diferentes principios de medición de presión diferencial y qué ventajas ofrecen? En este blog, analizamos más de cerca el mundo de la medición de presión diferencial y destacamos dos aplicaciones prácticas típicas y sus desafíos.

Se puede decir que todos los sensores de presión KELLER miden la presión diferencial. Sin embargo, los sensores de presión relativa y absoluta tienen un punto de referencia definido con respecto al cual se mide la diferencia de presión. Con presión absoluta, este punto de referencia es el vacío absoluto. La presión relativa se mide frente a la presión atmosférica, también conocida como presión del aire.

A diferencia de los tipos de presión mencionados anteriormente, el sensor de presión diferencial mide la diferencia de presión entre dos potenciales de presión variables, es decir, sin un punto de referencia definido. En la práctica, esto significa que la diferencia de presión se puede medir entre dos presiones de proceso cualesquiera. Gracias a la conexión a proceso adicional, los sensores de presión diferencial se pueden distinguir fácilmente de otros sensores de presión.

Más detalles sobre las similitudes y diferencias entre estos tres tipos de medición de presión se describen detalladamente en el blog «Tipos de presión y su significado».
 

Construcción de la celda de medición de presión diferencial

Los sensores de presión diferencial piezorresistivos de KELLER se pueden construir de diferentes formas. Características como «wet» o «wet-wet» solo aparecen en la cartera de productos de KELLER para transmisores de presión diferencial y definen la compatibilidad de los medios de las conexiones de proceso.

La serie KELLER PD-33X está diseñada con una conexión clásica «wet-wet», lo que significa que la parte posterior del transductor también está llena de aceite. El medio de medición está en contacto por ambos lados con la membrana metálica, normalmente de acero inoxidable.

Este no es el caso del PRD-33X. La conexión negativa está conectada directamente a la parte posterior del chip de presión, por lo que el medio de medición no debe ser ni corrosivo ni abrasivo.

La ventaja de estos dos diseños («wet» y «wet-wet») es la muy alta resolución de la presión diferencial. Esto se puede medir con un chip diseñado para este rango de presión.

Alternativamente, ambas presiones se pueden determinar mediante dos celdas de medición de presión absoluta (PD-39X) y calcular la presión diferencial en la electrónica. Esta configuración se recomienda especialmente para presiones altas, si no se puede descartar una aplicación de presión unilateral.

Aplicaciones típicas con sensores de presión diferencial

Medición de flujo

Además de la temperatura, la presión y la fuerza, la medición del caudal es otra variable de medición importante en la tecnología de medición industrial y es uno de los fundamentos de la automatización de procesos. Hay varias formas de medir el caudal. Un método común es la medición de la presión diferencial mediante una placa de orificio. Para comprender el principio de esta medición de flujo, es necesario hacer un breve desvío hacia la física subyacente.

La ecuación de Bernoulli

El matemático y físico suizo Daniel Bernoulli, junto con su hermano Johann, establecieron la ecuación de Bernoulli en el siglo XVIII. Esto establece que para líquidos o gases (fluidos) incompresibles, la masa de un medio que se mueve a través de una sección transversal durante un cierto período de tiempo es independiente del diámetro de la tubería o línea. En términos simples, esto significa que si el diámetro de la tubería se hace más pequeño, la velocidad del flujo aumenta, y si el diámetro de la tubería se hace más grande, la velocidad del flujo disminuye. El caudal siempre es el mismo. Este fenómeno también se puede observar durante la lluvia matutina. Dependiendo de la posición del cabezal de ducha, el agua puede resultar más penetrante o como una agradable y ligera lluvia de verano. Este efecto se crea mediante un número diferente de boquillas abiertas a través de las cuales se distribuye la misma cantidad de agua.

El uso de una placa de orificio, que no es más que una constricción artificial, crea una diferencia de presión tanto aguas arriba como aguas abajo de la placa de orificio. Utilizando una fórmula matemática, se puede calcular el caudal volumétrico basándose en esta diferencia de presión.

Q: Caudal volumétrico [m3/s]

α: Coeficiente de flujo

A: Sección transversal de flujo de la placa de orificio [m2]

ρ: Densidad del fluido en [kg/m3]

Δp = p1 – p2: Diferencia de presión en [bar]

Medición de nivel en tanques de gas licuado

Los sensores de presión diferencial también se utilizan para medir el nivel en tanques de gas licuado. Gases como el oxígeno, el nitrógeno, el hidrógeno, el dióxido de carbono, el argón y el metano contenidos en el gas natural se licuan para su transporte y almacenamiento. Esto permite reducir el volumen en un factor de seiscientos. El volumen de un litro de gas metano se puede reducir a 1,6 cm3 en estado líquido. Para mantener el estado agregado líquido del metano, se requiere una temperatura constante inferior a -162 °C. Esto requeriría que el tanque criogénico estuviera perfectamente aislado. Sin embargo, esto no es factible, por lo que también se utiliza el principio de enfriamiento por evaporación. De vez en cuando se vaporiza una pequeña cantidad de gas licuado. De este modo la temperatura permanece constante. El espacio libre se llena de gas, lo que impide la medición de nivel convencional, ya que el sistema del tanque está sellado herméticamente. Debido a que esta presión adicional actúa sobre el metano licuado, se necesita un sensor de presión diferencial para determinar el nivel.

A una temperatura de -162 °C, el aceite utilizado en los transductores de presión no permanecerá en estado líquido, por lo tanto, el transmisor se monta ligeramente desplazado para que el gas que se mide alcance una temperatura compatible con el transmisor.

Picos de presión, influencias térmicas y temporales en la instancia especial de la ISS

Gracias al excelente rendimiento y la calidad del producto, los sensores de presión diferencial de KELLER también se utilizan en la Estación Espacial Internacional ISS. Había algunos puntos importantes que considerar de antemano para garantizar una medición precisa a largo plazo.

En la tecnología de medición de presión son familiares los términos golpes de ariete o picos de presión, también conocidos como picos de presión o de Joukowsky. Estos se deben a la apertura o cierre repentino de válvulas y rara vez se pueden descartar por completo. Estos golpes de ariete suelen reducirse mediante la elasticidad de la tubería de presión. Para que el sensor de presión no sea un punto débil, se deben prever reservas suficientes para la resistencia a la sobrecarga.

Un cambio rápido en el estado de agregación de los gases licuados a un estado gaseoso a veces provoca la formación de hielo en válvulas y tuberías. Estos cambios de temperatura pueden provocar una histéresis de temperatura mínima pero mensurable. Si la presión diferencial se mide con dos transmisores de presión absoluta en diferentes lugares, como es necesario, por ejemplo, al determinar el nivel de llenado en un tanque criogénico, los sensores pueden envejecer de manera diferente debido a las diferentes posiciones de instalación y condiciones térmicas. Para minimizar esta diferencia, ambos elementos sensores se colocan lo más cerca posible entre sí. De este modo, ambos chips de silicio están expuestos a las mismas influencias térmicas y presentan un comportamiento lo más similar posible.

Los sensores piezoresistivos también presentan una deriva a largo plazo, aunque esto es casi insignificante en comparación con otras tecnologías de medición de presión. Para eliminar esta mínima imprecisión, el sistema se lleva periódicamente a un estado despresurizado para realizar una corrección del punto cero. Esto garantiza a largo plazo la altísima precisión de los transmisores de presión diferencial de KELLER.

Descubra en nuestros informes de aplicación cómo se pueden utilizar los sensores de presión diferencial de KELLER.
 

Autor: Michael Mack (Subdirector de Gestión de Productos)
https://keller-druck.com/en/company/blog/differential-pressure-measurement-in-industrial-applications