Uno de los primeros instrumentos de medición de la presión sigue siendo muy utilizado hoy en día por su precisión inherente y su sencillez de funcionamiento. Se trata del manómetro de tubo en U, que es un tubo de vidrio en forma de U parcialmente lleno de líquido. Este manómetro no tiene piezas móviles y no requiere calibración. Las mediciones de manometría son funciones de la gravedad y de la densidad del líquido, ambas propiedades físicas que hacen del manómetro de tubo en U un estándar NIST de precisión.
Los manómetros son tanto instrumentos de medición de la presión como estándares de calibración. Van desde simples tubos en U y pozos llenos de líquido hasta instrumentos digitales portátiles con una interfaz de ordenador.
Como se muestra en la figura 1, con cada tramo de un manómetro de tubo en U expuesto a la atmósfera, la altura del líquido en las columnas es igual. Utilizando este punto como referencia y conectando cada pata a una presión desconocida, la diferencia de alturas de las columnas indica la diferencia de presiones (véase la figura 2).
 Figura 1. Con las dos patas de un manómetro de tubo en U abiertas a la atmósfera o sometidas a la misma presión, el líquido mantiene el mismo nivel en cada pata, estableciendo una referencia cero. |
 Figura 2. Con una mayor presión aplicada al lado izquierdo de un manómetro de tubo en U, el líquido baja en la pata izquierda y sube en la pata derecha. El líquido se mueve hasta que el peso unitario del líquido, indicado por h, equilibra exactamente la presión. |
La relación fundamental para la presión expresada por una columna de líquido es:
| Δp = P2-P1 = ρgh | (1) |
donde:
| Δp | = presión diferencial |
| P1 | = presión en la conexión de baja presión |
| P2 | = presión en la conexión de altapresión |
| ρ | = densidad del fluido indicador (a una temperatura específica) |
| g | = aceleración de la gravedad (a una latitud y elevación) |
| h | = diferencia de alturas de las columnas |
La presión resultante es la diferencia entre las fuerzas ejercidas por unidad de superficie de las columnas de líquido, con libras por pulgada cuadrada (psi) o newtons por metro cuadrado (pascales) como unidades. El manómetro se utiliza con tanta frecuencia para medir la presión que la diferencia de altura de las columnas es también una unidad común. Ésta se expresa en pulgadas o centímetros de agua o mercurio a una temperatura específica, que puede cambiarse a unidades estándar de presión con una tabla de conversión.
Todas las mediciones de presión son diferenciales. La referencia puede ser la presión absoluta cero (un vacío total), la presión atmosférica (la presión barométrica) u otra presión. Con una pata de un manómetro abierta a la atmósfera (véase la figura 3A), la presión medida es la que supera la presión atmosférica, que a nivel del mar es de 14,7 psi, 101,3 kPa o 76 cmHg.
Figura 3. La presión manométrica es una medida relativa a la presión atmosférica y varía con la lectura barométrica. Una medición de presión manométrica es positiva cuando la presión desconocida supera la presión atmosférica (A), y es negativa cuando la presión desconocida es menor que la presión atmosférica (B).
Esta medición se denomina presión manométrica, y la relación para una presión positiva se expresa por:
| Presión absoluta = presión atmosférica + presión manométrica positiva | (2) |
Para una medición de presión negativa (vacío) (véase la figura 3B), las alturas de las columnas se invierten y la relación se expresa por:
| Presión absoluta = presión atmosférica + presión manométrica negativa | (3) |
Estas relaciones de presión se muestran en la figura 4.
Figura 4. Una representación gráfica de la presión manométrica positiva y negativa muestra el aspecto diferencial de todas las mediciones de presión, donde la presión manométrica es la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica.
Figura 5. En un manómetro de tubo sellado, la referencia de presión es el vacío, o la presión absoluta cero. La forma más común de un manómetro de tubo sellado es el barómetro de mercurio convencional utilizado para medir la presión atmosférica.
Un manómetro puede diseñarse para medir directamente la presión absoluta. El manómetro de la figura 5 mide la presión comparada con la presión absoluta cero en un tramo sellado sobre una columna de mercurio. La forma más común de este manómetro es el barómetro de mercurio convencional utilizado para medir la presión atmosférica. Con una sola conexión, esta configuración puede medir presiones por encima y por debajo de la presión atmosférica.
Variaciones en el manómetro de tubo en U
La presión diferencial es siempre la diferencia en las alturas de las columnas, independientemente del tamaño o la forma de los tubos. Como se muestra en la figura 6A, las patas de ambos manómetros están abiertas a la atmósfera y los fluidos indicadores están al mismo nivel. La conexión de la misma presión a la pata izquierda de cada manómetro hace que su nivel baje. Debido a la variación de volumen en las patas del manómetro, el fluido de cada columna se desplaza una distancia diferente. Sin embargo, la diferencia entre los niveles de fluido en ambos manómetros es idéntica (véase la figura 6B).
Figura 6. La lectura de la presión es siempre la diferencia entre las alturas del fluido, independientemente de los tamaños de los tubos. Con ambas patas del manómetro abiertas a la atmósfera, los niveles del fluido son los mismos (A). Con una presión positiva igual aplicada a una pata de cada manómetro, los niveles del fluido difieren, pero la distancia entre las alturas del fluido es la misma.
Figura 7. En un manómetro tipo pozo, el área de la sección transversal de una pata (el pozo) es mucho mayor que la otra pata. Cuando se aplica presión al pozo, el fluido baja sólo ligeramente en comparación con la subida del fluido en la otra pata.
El manómetro de pozo (o de depósito) (véase la figura 7) lleva más allá esta variación en el tamaño de los tubos. A medida que se aplica presión al pozo, el nivel desciende ligeramente en comparación con el aumento del nivel en la columna. Al compensar las graduaciones de la escala de la columna para corregir la caída del pozo, es posible hacer una lectura directa de la presión diferencial. Existen directrices de conexión para los manómetros de tipo pozo, en comparación con el estilo de tubo en U:
- Conecte las presiones superiores a la atmosférica al pozo; conecte las presiones inferiores a la atmosférica al tubo.
- Para las mediciones diferenciales, conecte la presión superior al pozo.
- En el caso de los manómetros de pozo elevado, la conexión del pozo puede utilizarse para mediciones de manómetro y de vacío.
Una variación del manómetro de pozo es el manómetro de tubo inclinado (o manómetro de tiro) de la figura 8. Con un tubo indicador inclinado, 1 pulgada de elevación vertical se extiende sobre varias pulgadas de longitud de escala. El manómetro de tubo inclinado tiene mejor sensibilidad y resolución para presiones bajas.
Figura 8. Las bajas presiones y los bajos diferenciales se manejan mejor con un manómetro de tubo inclinado, donde 1 pulgada de altura vertical del líquido puede estirarse hasta 12 pulgadas de longitud de escala.
Los fluidos indicadores
Los manómetros de líquido miden la presión diferencial equilibrando el peso de un líquido entre dos presiones. Los líquidos ligeros, como el agua, pueden medir pequeñas diferencias de presión; el mercurio u otros líquidos pesados se utilizan para grandes diferencias de presión. Para un fluido indicador 3 veces más pesado que el agua, el rango de medición de presión es 3 veces mayor, pero la resolución se reduce.
Los fluidos indicadores pueden ser agua coloreada, aceite, bencenos, bromuros y mercurio puro. Al seleccionar un fluido indicador, compruebe las especificaciones de gravedad específica, rango de temperatura de funcionamiento, presión de vapor y punto de inflamación. Las propiedades corrosivas, la solubilidad y la toxicidad también son consideraciones a tener en cuenta.
Manómetros digitales
Un manómetro líquido tiene limitaciones. Los tubos de vidrio, los fluidos indicadores y los requisitos de montaje del nivel son más adecuados para un laboratorio que para el campo. Además, no se puede interconectar con un ordenador o PLC. Estas limitaciones pueden superarse con los manómetros digitales. Estos instrumentos basados en microprocesadores están disponibles en tamaños cómodos y portátiles para facilitar su uso en el campo, o en estilos de montaje en panel o independientes, con salidas para controlar un proceso o transferir datos de medición.
Las variaciones de las condiciones estándar de densidad y gravedad deben compensarse manualmente al realizar mediciones de presión con manómetros de líquidos. Esto es más fácil con los manómetros digitales, porque algunos de los factores de corrección de los manómetros de líquido pueden ignorarse y otros pueden compensarse en el software.
Con los puertos dobles, basta con intercambiar los sensores para cambiar entre las mediciones de presión diferencial, manométrica y absoluta.
Otras características comunes de los manómetros digitales son:
- Memoria integrada para el registro de datos o el almacenamiento de lecturas mínimas/máximas
- Promedio de una serie de lecturas para amortiguar los impulsos de presión
Los manómetros digitales de mayor precisión se utilizan para calibrar transmisores de presión y otros instrumentos de presión sobre el terreno. Los calibradores digitales son más rápidos y sencillos, ya que no requieren cajas, cilindros de gas, reguladores ni pesos para su configuración y no tienen plataformas especiales ni requisitos de nivelación críticos. En la Tabla 1 se muestran otras comparaciones de las especificaciones de los manómetros líquidos y digitales.
| Tabla 1 | |||||
| Especificaciones de los manómetros | |||||
| Manómetros de líquido | Manómetros digitales | ||||
| U-tubo | Bien | Inclinado | Propósito general | Calibración | |
| Rango | 100 pulg. | 100 pulg. | 20 pulg. | 20-2000 en H2O, 20-2000 psig, 2000 mmHg |
2000 en H2O, 2000 psig, 2000 mmHg |
| Exactitud | ±½ de la graduación de la escala menor | ±½ de la graduación de la escala menor | ±½ de la graduación de la escala menor | ±0.025-0,1% F.S. | ±0,025-0,1% F.S. |
| Partes mojadas o medios Compatibilidad |
Hierro fundido, acero inoxidable, PVC, vidrio, Viton | Acrilico, acero inoxidable, vidrio, Viton | Gases limpios y secos no corrosivos; líquidos compatibles con el acero inoxidable | Gases limpios, secos y no corrosivos; líquidos compatibles con el acero inoxidable | |
| Presión Calificación |
250 psig | 250-500 psig | 100-350 psig | 2 × rango | 2 × rango |
| Montaje | Pared, mesa | Pared, mesa, frente empotrado, tubo | Pared, mesa | Portable | Portable |
| Coste relativo | Bajo | Bajo/medio | Medio | Medio | Alto |
Para más información
Massey, B.S. 1989. Mechanics of Fluids, 6ª edición, Londres: Van Nostrand Reinhold.
Meriam Instrument. 1997. Using Manometers to Precisely Measure Pressure, Flow and Level, Cleveland: Meriam Instrument.
Meriam, J.B. 1938. The Manometer and Its Uses. 2nd Ed., Cleveland: Meriam Instrument.
Omega Engineering. 1999. Transacciones en Medición y Control: Force-Related Measurements, 2nd Ed. Stamford, CT: Putnam Publishing y Omega Press.
Yeager, John, y Hrusch-Tupta, M.A., Eds. 1998. Low Level Measurements. 5th Ed. Cleveland: Keithley Instruments.
SIDEBAR:
Glosario de presión y precisión de los manómetros
Presión absoluta. Una medida referida a la presión cero; es igual a la suma de la presión manométrica y la presión atmosférica. Las unidades comunes son libras por pulgada cuadrada (psia), milímetros de mercurio (mmHga) y pulgadas de mercurio (in.Hga).
Exactitud. Medida de la concordancia de una lectura con la de un estándar. Para la precisión absoluta, se compara con un estándar primario (uno reconocido por el NIST). Las precisiones suelen especificarse como un porcentaje más o menos de la escala completa. Las precisiones de calibración suelen indicarse como un porcentaje más o menos de la lectura con recuentos más o menos.
Presión ambiente. La presión del medio que rodea a un dispositivo. Varía desde 29,92 pulg.Hg a nivel del mar hasta unos pocos centímetros a grandes altitudes.
Presión atmosférica. La presión de la atmósfera sobre la superficie de una unidad. También llamada presión barométrica. A nivel del mar es de 29,92 pulg.Hg absoluta.
Cuento. El incremento más pequeño de una conversión A/D que se muestra.
Presión diferencial. La diferencia entre dos puntos de medición. Las unidades comunes son pulgadas de agua (in.H2O), libras por pulgada cuadrada (psi) y milibares (mbar).
Resolución de la pantalla. El número máximo de dígitos en una pantalla digital. Por ejemplo, una resolución de pantalla de 4½ dígitos lee un máximo de 19.999 cuentas; y una resolución de pantalla de 5 dígitos significativos lee un máximo de 99.999 cuentas.
Presión de manómetro. Una medida referida a la presión atmosférica. Varía con la lectura barométrica. También se utiliza para especificar la presión máxima de los manómetros. Las unidades comunes incluyen libras por pulgada cuadrada (psig).
Rango. La región entre los límites inferior y superior de las mediciones.
Resolución. La porción más pequeña de una medición que puede detectarse.
Sensibilidad. El cambio más pequeño en la medición que puede detectarse.
Incertidumbre. Una estimación del posible error en una medición. Es lo contrario de la precisión.
Vacío. Cualquier presión por debajo de la presión atmosférica. Cuando se refiere a la atmósfera, se denomina medición de vacío (o manómetro negativo). Cuando se refiere a la presión cero, es una medición de presión absoluta.
Presión absoluta cero. La ausencia total de cualquier gas; un vacío perfecto.
