Medición de presión y unidades de presión en ingeniería

1. Introducción a la medición de la presión

Medición de presiónDesempeña un papel fundamental en la industria moderna, la investigación científica y las aplicaciones cotidianas. En la producción industrial, la presión, al igual que la temperatura, el caudal o el nivel, es una variable de proceso esencial que debe ser monitoreada y controlada. Su precisión de medición afecta directamente la eficiencia energética, la seguridad de la producción y el desempeño económico general.

Medición de la presión del vapor
 

Por ejemplo, los sistemas de generadores de turbina de vapor requieren vapor a alta temperatura y alta presión. Durante su funcionamiento, numerosos instrumentos de presión garantizan la estabilidad y eficiencia del sistema. En la industria química, un control preciso de la presión determina los resultados de las reacciones. Por ejemplo, en la síntesis de amoníaco, mantener la presión correcta asegura que la reacción química se desarrolle con un rendimiento óptimo. Una presión baja resulta en una baja eficiencia de conversión, mientras que una presión excesiva aumenta los riesgos de seguridad.

En la investigación científica y la tecnología moderna, la presión influye en la transformación estructural o de fase de los materiales. Ciertos metales solo pueden refinarse bajo condiciones de presión ultrabaja para lograr una alta pureza. La producción de diamantes artificiales, por otro lado, requiere presiones ultraaltas que alcanzan el rango de los gigapascales (GPa). Incluso en tecnologías emergentes como los recubrimientos de película delgada, el control del vacío y la presión es fundamental.

Bajo alta presión, las propiedades físicas de los fluidos, metales y otros materiales —como la compresibilidad, la viscosidad, la conductividad eléctrica y la estructura cristalina— presentan comportamientos diferentes a los que se observan en condiciones atmosféricas normales. Por lo tanto, los avances en la tecnología de medición de presión son cruciales para comprender y gestionar estos cambios.

En las industrias de defensa y aeroespacial, la monitorización de la presión es igualmente crucial. Entre sus aplicaciones se incluyen las pruebas en túneles de viento, el mapeo de la presión superficial de las aeronaves, el control de los sistemas de combustible y lubricación, los sistemas hidráulicos y neumáticos, el control del empuje de los reactores y la medición de la altitud. En todos estos casos, la instrumentación precisa para la medición de la presión es indispensable.

2. Desarrollo y requisitos de la tecnología de medición de presión

Exigente de Transmisores de presión

Con el rápido avance de la producción industrial y la investigación científica, la demanda de sistemas de medición de presión ha aumentado drásticamente. Las industrias modernas requieren instrumentos capaces de medir tanto presiones ultraaltas como micropresiones con extrema precisión.

• El rango de ultra alta presión medible a nivel mundial alcanza actualmente decenas de millones de pascales.
• En China se han medido con éxito presiones de hasta 2,5 × 10⁵ MPa .
• En el campo del vacío y la micropresión, la presión absoluta medible más baja en todo el mundo es de 10⁻¹² Pa , mientras que China ha alcanzado 10⁻¹⁰ Pa .

La medición de presión abarca una amplia variedad de aplicaciones: gases y líquidos, presión estática y dinámica, fluidos limpios y viscosos, e incluso fluidos tóxicos o lubricados. Los ingenieros también deben garantizar la transmisión precisa de los valores de presión desde los patrones de referencia a los instrumentos de trabajo, al tiempo que desarrollan nuevos métodos y equipos para satisfacer las necesidades emergentes.

3. Conceptos fundamentales de presión

3.1 Definición de presión

En física, la presión se refiere a la fuerza que actúa por unidad de área sobre una superficie. Matemáticamente, esta relación se expresa como:

Dónde:

• p = presión
• F = fuerza aplicada
• A = área de superficie

Cuando la fuerza aplicada no se distribuye uniformemente, la presión se puede definir como:

En la práctica de la ingeniería, la presión se suele expresar de varias maneras diferentes, dependiendo de las condiciones de referencia y los métodos de medición.

4. Tipos comunes de presión

4.1 Presión atmosférica

La presión atmosférica ( p₀ ) es la fuerza ejercida por el peso del aire sobre la superficie terrestre. Varía con la altitud, la latitud, la temperatura y las condiciones meteorológicas.

4.2 Presión absoluta

La presión absoluta ( pₐ ) representa la presión total ejercida por un fluido, gas o vapor en un punto específico, incluida la presión atmosférica.

4.3 Presión manométrica

La presión manométrica ( p ) es la presión medida en relación con la presión atmosférica, es decir:

4.4 Vacío (Presión negativa)

Presión negativa

Cuando la presión absoluta es menor que la presión atmosférica, la diferencia se denomina presión de vacío ( pₕ ), expresada como:

4,5 grados de vacío

El grado de vacío indica cuánto menor es la presión absoluta en comparación con la presión atmosférica. En la mayoría de las aplicaciones industriales, los instrumentos están diseñados para medir directamente la presión manométrica o la presión de vacío.

Las relaciones entre los diferentes tipos de presión se ilustran conceptualmente en la Figura 1-1.

Figura 1-1 : Relaciones entre la presión absoluta, la presión atmosférica, la presión manométrica y la presión de vacío.

5. Unidades de presión y conversión

A partir de la definición de presión, queda claro que la presión es una magnitud derivada que se expresa como fuerza por unidad de área .
Según las normas internacionales (SI), la unidad básica de presión es el pascal (Pa) , que se define como:

A pesar de la adopción generalizada del sistema Pascal, varias unidades tradicionales y específicas de la industria siguen utilizándose en diversos sectores. Las más comunes incluyen:

5.1 Atmósfera de ingeniería

Se define como la presión producida por una fuerza de 1 kilogramo que actúa sobre 1 cm² , denotada como kgf/cm².

5.2 Atmósfera estándar

Representa la presión ejercida por una columna de mercurio de 760 mmHg a 0 °C y gravedad estándar (9,80665 m/s²). Se abrevia comúnmente como atm .

5,3 milímetros de mercurio (mmHg)

La presión ejercida por una columna de mercurio de 1 mm en condiciones estándar.

5,4 milímetros de agua (mmH₂O)

La presión producida por una columna de agua de 1 mm a 4 °C.

5.5 Otras unidades comunes

Las unidades de presión adicionales incluyen bar , metro de columna de agua (mH₂O) y libra por pulgada cuadrada (psi o lbf/in²) .

Para facilitar la conversión, la Tabla 1-1 proporciona coeficientes de conversión entre diferentes unidades de presión.

6. Resumen

Medición de presiónConstituye la base de la automatización industrial, la experimentación científica y la ingeniería moderna. Comprender los distintos tipos de presión , unidades y principios de conversión garantiza precisión, seguridad y eficiencia en todas las disciplinas técnicas. A medida que las nuevas tecnologías exigen mayor precisión y rangos de medición más amplios, los avances en los instrumentos de medición de presión seguirán impulsando el progreso tanto en la industria como en la investigación.

Tabla 1-1 Factores de conversión de unidades de presión