Este es un laboratorio sobre manómetro.
Manmetro de Bourdon
1. IntroduccinLa idea general de manmetros (, raro, distinto;o,
medida) es mencionada por primera vez por el fsico alemn Otto von
Guericke (1602-1686), y el primer modelo especfico parece
probablemente haber sido empleado por el naturalista y gelogo suizo
Horace Bndict de Saussure (1740-1799). Su diseo, como l de todas
las otras primeras versiones del instrumento, se bas en los mismos
principios que caracterizaron el funcionamiento del barmetro, es
decir las condiciones de equilibrio entre fluidos de diferentes
densidades al interior de un sistema de vasos
comunicantes.Diferentes desarrollos posteriores a los diseos
originales solo lograron superar parcialmente estas limitaciones.
En 1749 el gelogo y meteorlogo suizo Jean-Andr De Luc (1727-1817)
eliminaba la necesidad de un depsito anexo de mercurio al construir
el primer barmetro porttil de sifn. Igualmente fueron ideados
diseos especiales de barmetros marinos de alta precisin que
protegieran la columna de mercurio durante las travesas.La
adjudicacin en 1844 de una patente britnica al abogado y cientfico
aficionado francs Lucien Vidie (1805-1866) por la invencin del
primer barmetro mecnico, cambi definitivamente la historia de los
elementos de medicin de presin. Vidie no tom la patente a su
nombre, sino que lo hizo por intermedio del representante principal
de una agencia de patentes en Londres y Paris, de nombre Pierre
Armand Lecomte de Fontainemoreau. Las versiones francesas y
americana fueron las nicas concedidas con su nombre. El concepto
del nuevo elemento haca uso del efecto mesurable producido por la
presin sobre la forma de los metales debido a su elasticidad,
reemplazando el uso del mercurio por un disco metlico previamente
evacuado.En Junio 18 de 1849 el Ministerio de Agricultura y
Comercio del Gobierno Francs le concedi a Bourdon una patente por
su trabajo titulado "Un sistema de manmetro sin mercurio denominado
manmetro metlico, aplicable a barmetros y manmetros" la cual le
permita explotar su invencin por un periodo de quince aos. Las
descripciones all incluidas, posteriormente complementadas en un
reporte presentado al Instituto de Ingenieros Civiles (ICE) de la
Gran Bretaa, y otra publicacin, dan absoluta claridad respecto al
principio de funcionamiento y versatilidad del instrumento. Despus
de explicar el efecto de la presin, tanto interna como externa,
sobre la geometra de tubos metlicos en diferentes circunstancias,
Bourdon plantea los principios de los cuales considera depende la
accin del instrumento propuesto: las relaciones de proporcionalidad
entre el espesor de un tubo aplanado dispuesto de manera circular y
la variacin de su radio de curvatura por un lado, y el
desplazamiento de sus extremos y la magnitud de la presin aplicada
por el otro. Basado en la confirmacin experimental de estas
relaciones, Bourdon presenta su primer modelo de manmetro con
aplicacin especfica a la medicin de la presin de vapor.El manmetro,
o tubo de Bourdon, ha sido el equipo ms utilizado para la medicin
de presin a escalas de laboratorio e industrial desde su
introduccin a mediados del siglo XIX. Su aparicin en el mercado
europeo, y casi inmediatamente despus en el americano, se constituy
en el punto de partida para el paulatino pero firme reemplazo del
por ese entonces muy comn manmetro de mercurio por un elemento que
responda a la aplicacin de un principio fsico diferente. Su
invencin, para nada ajena a las usuales polmicas de prioridad de la
poca surgidas alrededor de importantes eventos cientficos y
tecnolgicos, permiti subsecuentemente desarrollos en reas
relacionadas de instrumentacin y control de procesos.A lo largo de
las casi cuatro dcadas en las que Eugne Bourdon estuvo al frente de
su taller de mecnica, y aun despus de haberle cedido la direccin de
ste a sus hijos Eduard y Charles, ambos ingenieros de Artes y
Manufacturas, su talento creativo se plasm en una gran cantidad de
inventos de diferente ndole, la mayora de ellos relacionados con la
mquina de vapor y sus accesorios. Pueden mencionarse, a manera de
ejemplo, la caldera con hogar con circulacin interna y el mecanismo
de medicin y control de nivel de agua en los mismos equipos entre
otros Sin embargo, el ms destacado, y tal vez el nico que trascendi
hasta nuestros das, fue el manmetro metlico de tubo que lleva su
nombre. En 1946 un ingeniero ferroviano el alemn Schinz haba
descubierto que un tubo curvado cambiara su curvatura cuando estaba
sujeta a presin interna y en 1848 este principio funcionaba en las
locomoras de Alemania. En la actualidad y a pesar del paso del
tiempo y las nuevas tecnologas se sigue utilizando en la gran
mayora de los campos industriales un manmetro, como es el caso de
tipo Bourdon.
2. Objetivos Aclarar el concepto de presin manomtrica,
baromtrica y absoluta. Aplicacin prctica del principio de pascal.
Determinar si el manmetro esta calibrado. Estudiar el error que se
comete al efectuar una lectura manomtrica.
3. GeneralidadesPresin
En la mecnica la presin se define como la fuerza por unidad de
superficie que ejerce un lquido o un gas perpendicularmente a dicha
superficie. La presin suele medirse en atmsferas (atm); en el
sistema internacional de unidades (SI), la presin se expresa en
newton por metro cuadrado; un newton por metro cuadrado es un
pascal (Pa). La atmsfera se define como 101.325 Pa, y equivale a
760 mm de mercurio en un barmetro convencional.
Presin manomtrica.
Se llama presin manomtrica a la diferencia entre la presin
absoluta o real y la presin atmosfrica. Se aplica tan solo en
aquellos casos en los que la presin es superior a la presin
atmosfrica, pues cuando esta cantidad es negativa se llama presin
de vaco.Manmetro.
El manmetro es un instrumento utilizado para la medicin de la
presin en los fluidos, generalmente determinando la diferencia de
la presin entre el fluido y la presin local.
Cuando los manmetros deben indicar fluctuaciones rpidas de
presin se suelen utilizar sensores piezoelctricos o electrostticos
que proporcionan una respuesta instantnea. Hay que tener en cuenta
que la mayora de los manmetros miden la diferencia entre la presin
del fluido y la presin atmosfrica local, entonces hay que sumar sta
ltima al valor indicado por el manmetro para hallar la presin
absoluta. Cuando se obtiene una medida negativa en el manmetro es
debida a un vaco parcial.
Caractersticas.
Muchos de los aparatos empleados para la medida de presiones
utilizan lapresin atmosfricacomo nivel de referencia y miden la
diferencia entre la presin real o absoluta y la presin atmosfrica,
llamndose a este valorpresin manomtrica; dichos aparatos reciben el
nombre de manmetros y funcionan segn los mismos principios en que
se fundamentan los barmetros demercurioy losaneroides. La presin
manomtrica se expresa ya sea por encima, o bien por debajo de la
presin atmosfrica. Los manmetros que sirven exclusivamente para
medir presiones inferiores a la atmosfrica se llamanvacumetros.
Tambin manmetros de vaco.
Tipos de manmetros.
Manmetro de dos ramas abiertas.
Estos son los elementos con los que se mide la presin positiva,
estos pueden adoptar distintas escalas. El manmetro ms sencillo
consiste en un tubo de vidrio doblado enUque contiene un lquido
apropiado (mercurio, agua, aceite, entre otros). Una de las ramas
del tubo est abierta a la atmsfera; la otra est conectada con el
depsito que contiene el fluido cuya presin se desea medir. El
fluido del recipiente penetra en parte del tubo en , haciendo
contacto con la columna lquida. Los fluidos alcanzan una
configuracin de equilibrio de la que resulta fcil deducir la presin
absoluta en el depsito resulta:
Donde
m= densidad del lquido manomtrico. = densidad del fluido
contenido en el depsito.
Si la densidad de dicho fluido es muy inferior a la del lquido
manomtrico, en la mayora de los casos podemos despreciar el
trminogd, y tenemos:
De modo que la presin manomtricaes proporcional a la diferencia
de alturas que alcanza el lquido manomtrico en las dos ramas.
Evidentemente, el manmetro ser tanto ms sensible cuanto menor sea
la densidad del lquido manomtrico utilizado.
Manmetro truncado.
El llamado manmetro truncado sirve para medir pequeas presiones
gaseosas, desde varios hasta 1 Torr. No es ms que un barmetro
desifn con sus dos ramas cortas. Si la rama abierta se comunica con
un depsito cuya presin supere la altura mxima de la columna
baromtrica, el lquido baromtrico llena la rama cerrada. En el caso
contrario, se forma un vaco baromtrico en la rama cerrada y la
presin absoluta en el depsito ser dada por:
Obsrvese que este dispositivo mide presiones absolutas, por lo
que no es un verdadero manmetro.
Manmetro de Bourdon.
El ms corriente es el manmetro debourdon, consistente en un tubo
metlico, aplanado, hermtico, cerrado por un extremo y enrollado en
espiral.Elementos estticos: A. Bloque receptor: es la estructura
principal del manmetro, se conecta con la tubera a medir, y a su
vez contiene los tornillos que permiten montar todo el conjunto. B.
Placa chasis o de soporte: unida al bloque receptor se encuentra la
placa de soporte o chasis, que sostiene los engranajes del sistema.
Adems en su anversocontiene los tornillos de soporte de la placa
graduada. C. Segunda placa chasis: contiene los ejes de soporte del
sistema de engranes. D. Espaciadores, que separan los dos
chasis.
Elementos mviles:1. Terminal estacionario del tubo debourdon:
comunica el manmetro con la tubera a medir, a travs del bloque
receptor.2. Terminal mvil del tubo debourdon: este terminal es
sellado y por lo general contiene un pivote que comunica el
movimiento delbourdon con el sistema de engranajes solidarios a la
aguja indicadora.3. Pivote con su respectivo pasador.4. Puente
entre el pivote y el brazo de palanca del sistema (5) con pasadores
para permitir la rotacin conjunta.5. Brazo de palanca o simplemente
brazo: es un extensin de la placa de engranes (7).6. Pasador con
eje pivote de la placa de engranes.7. Placa de engranes.8. Eje de
la aguja indicadora: esta tiene una rueda dentada que se conecta a
la placa de engranes (7) y se extiende hacia la cara graduada del
manmetro, para as mover la aguja indicadora. Debido a la corta
distancia entre el brazo de palanca y el eje pivote, se produce una
amplificacin del movimiento del terminal mvil del tubo debourdon.9.
Resorte de carga utilizado en el sistema de engranes para evitar
vibraciones en la aguja ehistresis.
Manmetro metlico o aneroide.
En laindustriase emplean casi exclusivamente los manmetros
metlicos o aneroides, que son barmetros modificados de tal forma
que dentro de la caja acta la presin desconocida que se desea medir
y afuera acta la presin atmosfrica. Cabe destacar principalmente
que los manmetros nos indican la presin que se ejerce por libra
cuadrada en un momento determinado es decir PSI (Pound per
squareinches) - Libras por pulgada cuadrada.
Presin baromtrica.
Lapresin atmosfricaes la fuerza por unidad de superficieque
ejerce elairesobre lasuperficie terrestre. Es tambin llamada presin
baromtrica y se mide con un instrumento llamado Barmetro de tal
modo que con frecuencia se menciona presin baromtrica a la presin
atmosfrica. El italiano evangelista Torricelli fue el primero en
aprobar de manera concluyente que la presin atmosfrica se puede
medir.
Caractersticas
La presin baromtrica es medida en trminos de la fuerza hacia
abajo que la atmsfera ejerce por unidad en cierta rea. Esta lectura
confrecuenciaes tomada por medio del barmetro. El barmetro difiere
endiseoy en funcionalidad, pero todos tienen la funcin centralizada
de proporcionar una lectura de la presin baromtrica. La presin
baromtrica estndar, o presin promedio alrededor del nivel del mar,
es estimada en 101.325 kPa, lo cual es conocido como 1 atm o 1
atmsfera de presin.
Presin absoluta.
Se conoce comopresin absolutaa lapresin real que se ejerce sobre
un punto dado.
Presin absoluta y su relacin con la presin baromtrica y
manomtrica.
Al realizar un experimento, con el manmetro de bourdon sobre la
superficie de agua o aceite del cilindro no se ha colocado el pistn
, el manmetro marca 0 presin, y esto no quiere decir que no haya
presin, ya que sobre la superficie acta la presin atmosfrica, lo
que sucede es que el manmetro de bourdon no est diseado para medir
presin atmosfrica, para que se conozca la presin absoluta, habr que
sumarle a la lectura del manmetro la lectura del barmetro, de esta
forma se obtendr la presin absoluta.
4. Equipo
Calibrador de manmetro Juego de pesas de 1 Kg. Aceite
Manmetro
5. Procedimiento Se verific que el manmetro se encontrara
calibrado. Se anot la lectura que se present en el manmetro. El
peso del pistn se increment de 1 Kg. a 1 Kg. tomndose las lecturas
en el manmetro, hasta un peso de 6 Kg. Seguidamente se retir de 1
Kg. a 1 Kg. dejando reposar el manmetro para tomar las lecturas.
Las lecturas tanto en peso ascendente como en peso descendente se
tomaron en dos sistemas de unidades, el SI (sistema internacional)
y el de uso comn en Estados Unidos. Estas lecturas se colocaron en
la tabla de recoleccin de datos que puede observarse en un acpite
posterior.
6. Tabla de DatosLectura No.Wa (Kg)PmaWd (Kg)Pmd
KN/m2PSIKN/m2PSI
112741304.6
22527.62588.5
337911.538512.3
4410115411016
5513019.1414319
6615222.5615222.5
7. ClculosFrmulas Utilizar
Presin Real
Donde:
Presin Manomtrica Promedio
Donde:
Porcentaje de Error
Donde:
Presin Real
Presin real nmero 1
Presin real nmero 2
Presin real nmero 3
Presin real nmero 4
Presin real nmero 5
Presin real nmero 6
Presin Manomtrica PromedioPrimero convertir la presin manomtrica
ascendente y descendente utilizando la siguiente relacin .
Presin Manomtrica Ascendente
Presin Manomtrica Descendente
Presin manomtrica promedio 1
Presin manomtrica promedio 2
Presin manomtrica promedio 3
Presin manomtrica promedio 4
Presin manomtrica promedio 5
Presin manomtrica promedio 6
Clculo de error
Error 1
Error 2
Error 3
Error 4
Error 5
Error 6
Conversin de UnidadesPara convertir la presin real de Kgf/m2 a
N/m2 se utiliza la siguiente equivalencia.
Para convertir la presin manomtrica promedio de Kgf/m2 a N/m2 se
utiliza la siguiente equivalencia.
8. Tabla de resultadosLectura No.PrPmp.% error
Kgf/m2N/m2Kgf/m2N/m2
13003.00329499.3992906.19128499.9983.224
26006.00658898.7995608.43954999.9986.619
39009.00988348.1988361.67382000.0017.185
412012.012117797.59710758.006105499.99910.439
515015.015147246.99713919.126136499.9977.299
618018.018176696.39615499.686151999.99613.977
9. Desempeos de comprensin1. Cules son las fuentes de
error?Falta de pericia del observador.La aproximacin decimal al
momento de realizar las lecturas.Aos de uso del equipo (manmetro).
2. Qu otras formas de medir presin conoce?El dispositivo ms simples
para medir presiones es el tubo piezmetro o simplemente piezmetro.
Consiste en la insercin de un tubo transparente en la tubera o
recipiente donde se requiere medir la presin. El lquido subir en el
tubo piezmetro hasta una altura h, correspondiente a la presin
interna. Otro dispositivo empleado es el tubo en U que se aplica
para medir presiones muy pequeas o demasiado grandes para los
piezmetros. Para la determinacin de diferencia de presiones se
emplean manmetros diferenciales. Para la medida de presiones
pequeas se puede utilizar el manmetro de tubo inclinado, con lo
cual se obtiene una escala ampliamente de lectura.
3. Exprese la ley de Pascal y de un ejemplo de aplicacin real de
ella.La presin ejercida por un fluido incompresible y en equilibrio
dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con
igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del
fluido.Ejemplo:Un ejemplo muy sencillo es del gato hidrulico su
funcionamiento consiste en dos cilindros conectados uno ms pequeo y
corto que el otro, al aplicar una pequea fuerza al cilindro menor,
esto resultar en una presin dada. Mediante el principio de Pascal,
se dicen entonces que dicha presin sera la misma en el cilindro ms
grande, pero al tener ste ms rea, la fuerza emitida por el segundo
cilindro ser mayor.
4. Es la presin atmosfrica constante?No, ya que depende del
cambio de elevacin o profundidad; una disminucin de elevacin
ocasiona un aumento de presin, y un aumento de elevacin ocasiona
una disminucin de presin.
5. Grafique y haga el anlisis correspondiente:
Presin real vs. Pma.
En esta grafica se observa que la presin real y la presin
manomtrica ascendente aumentan una con respecto a la otra, es decir
son proporcionales.
Presin real vs. Pmd.
En esta grfica se puede observar que la presin real y la presin
real aumentan una con respeto a la otra.
% error vs.Pmp.
En esta grafica se puede observar que el porcentaje de error
aumenta conforme la Presin manomtrica promedio va creciendo.6.
Complete la siguiente tabla de conversin de unidades.
10.00001020.0001450.007501
98070114.2210735.6
68950.07031151.71
9806.650.114226173.572
133.30.001360.019341
7. Se suspende un diminuto subo de acero en agua por medio de un
cable. Si la longitud de los lados del cubo son muy pequeas, qu
comparacin habra entre las magnitudes de las presiones sobre la
parte superior, el fondo, y las superficies laterales de ese
cubo?Para el caso presentado, las presiones en todas las
direcciones son las mismas. Como el cubo es muy pequeo, este se
considerar como un punto, y como en un punto la presin es la misma
en todas las direcciones, P1=P2=P3=P4.8. Un manmetro de vaco
conectado a una cmara da una lectura de 24 KPa, en un lugar donde
la presin atmosfrica es de 92 KPa. Determine la presin absoluta en
la cmara.Datos:
Frmula:
Solucin: 9. Determine la presin atmosfrica en un lugar donde la
lectura baromtrica es de 750 mmHg. Tome la densidad del mercurio
como 13600 kg/m3.Datos:
Frmula:
Solucin:
10. Se puede usar un barmetro bsico para medir la altura de un
edificio. Si las lecturas baromtricas en las partes superior e
inferior del edificio son de 730 mmHg y 755 mmHg respectivamente,
determine la altura del edificio. Suponga una densidad promedio del
aire de 1.18 kg/m3 .Elabore un esquema al resolver.Datos.
Frmula:
Donde:
Solucin:
P2= P1 + dpY2
H
P1Y111
10. ConclusinEn sntesis los datos obtenidos en el laboratorio
como los datos obtenidos en el proceso de clculo mantienen en sus
valores errores que disminuyen el control de la precisin en la
determinacin de la presin real respecto a la presin medida
ascendentemente, resultando en cada comparacin de presiones errores
en aumento, es decir, el porcentaje de error en cada clculo
aumenta. Al determinar las diferencias entre las presiones
manomtricas ascendentes y presiones manomtricas descendentes, cabe
sealar que una de ellas ejerce ms presin de manera variable sobre
el manmetro y es visible ante la realizacin de nuestros clculos; es
decir que este resultado es razonable debido a que si la presin de
entrada permanece constante a los cambios efectuados, en la presin
de salida son compensados por los mismos cambios en la fuerza que
se aplica el resorte. Al calcular el error se comprob que este
aumenta conforme la presin manomtrica promedio asciende.
11. Bibliografa
1. http://es.wikipedia.org/wiki/Man%C3%B3metro2.
https://www.google.com.ni/webhp?sourceid=chrome-instant&ion=1&espv=2&ie=UTF-8#q=tipos+de+manometros3.
http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_atmosf%C3%A9rica4.
http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_manom%C3%A9trica5.
http://definicion.de/presion-absoluta/
12. Anexos
PARTES DE MANMETRO DE BOURDON:
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