Por: Ana Sofía Padilla Alva
Desde hace cientos de años, el ser humano, en su paso por la historia se ha encargado de elaborar utensilios que le faciliten realizar ciertas actividades.
En el caso de la ciencia, tenemos claros ejemplos de utensilios e instrumentos que le han permitido desde medir el tiempo, cantidades, realizar intercambios comerciales, cultivar alimentos y demás. Conforme el tiempo ha avanzado, se han modificado también estas herramientas de acuerdo con las necesidades de la época.
En este artículo hablaremos acerca de los manómetros, instrumentos que se utilizan en diferentes industrias y aplicaciones, pero que en sí están encargados de medir la diferencia de presión entre dos fluidos o dos puntos de un mismo fluido, pudiendo ser este un líquido o un gas.
Magnitud de presión
Antes de comenzar a hablar acerca de los manómetros, debemos de tocar la magnitud a la que corresponde este instrumento, en este caso es la magnitud de presión. La medida de la presión desempeña sin duda alguna un papel de suma importancia, no solo en el mundo científico, si no en nuestras propias vidas.
La presión es una magnitud derivada del Sistema Internacional de Unidades, la cual está relacionada a las magnitudes de base masa, longitud y tiempo. Presión es igual a la fuerza que se aplica sobre una superficie y corresponde a la fórmula P = F/A. La unidad aceptada por el SI para medir la presión es el Pascal (Pa), sin embargo, en la aplicación encontramos también psi, bar y torr.
El Pascal está definido como: “la presión uniforme que, actuando sobre una superficie plana de 1 metro cuadrado, ejerce perpendicularmente a esta superficie una fuerza total de 1 newton. Es también la tensión uniforme que, actuando sobre una superficie de 1 metro cuadrado, ejerce sobre esta superficie una fuerza total de 1 newton.”
Ya que en Pascal presenta un valor sumamente pequeño, normalmente se manejan los múltiplos como el hectopascal (hPa) o el kilopascal (kPa) cuando se mide la presión atmosférica, el milipascal (mPa) en la industria o el bar en la medida de la presión de los neumáticos. Además, tenemos los milímetros de mercurio o mm/Hg para medir presión arterial.
Existen diferentes relaciones entre la magnitud de presión y otras magnitudes y es por eso que podemos encontrar ramas como: la presión mecánica, definida como la fuerza de una unidad de superficie; la presión termodinámica, que se define como trabajo por unidad de volumen; la presión cinéticomolecular, que se define a partir del cociente entre la energía cinética y el volumen; y por último la presión hidrostática, donde la variación de presión entre dos puntos es directamente proporcional a la altura, la gravedad local y la densidad del fluido en cuestión.
A su vez, tenemos diferentes tipos de presión, tomando como referencia su punto de origen. El CENAM nos ayuda con un artículo muy interesante donde define los tipos de presiones y nos presenta un gráfico que nos ayuda a clarificarlo de mejor manera. Nos habla de la presión absoluta: presión que se mide a partir de la presión cero de un “vacío absoluto”. Presión atmosférica: presión que ejerce la atmósfera que rodea la tierra (barométrica) sobre todos los objetos que se hallan en contacto con ella (la presión atmosférica cambia con la altura sobre el nivel del mar y las condiciones atmosféricas. Es la presión absoluta de la atmósfera en un punto e instante dado). Presión atmosférica normal (estándar): presión atmosférica equivalente a una atmósfera igual a 101325 Pa (Con base en la resolución 4 de la 10a. Conferencia general de Pesas y Medidas. CGPM 1954). Presión relativa: presión mayor o menor a la presión atmosférica, es la presión medida con referencia a la presión atmosférica. Presión diferencial: presión entre dos sistemas aislados (la presión relativa es una presión diferencial en que la presión de referencia es la atmosférica). Y por último el vacío: presión del estado de un gas menor a la presión atmosférica, el vacío también puede medirse con respecto al «cero absoluto» como una presión absoluta menor a la presión atmosférica.
De todas estas categorizaciones de presión se crean diferentes instrumentos que permiten realizar las mediciones correspondientes.
Un poco de historia
Cómo en todos los inventos del hombre, las primeras versiones del manómetro distan mucho de lo que conocemos hoy en día.
Las primeras ideas de manómetro son confusas y suelen existir algunas diferencias en cuanto a quien inició antes sus estudios o quién estudió bajo influencia de quién. Sin embargo, en este artículo buscaremos elaborar una línea del tiempo más clara de célebres científicos que tuvieron relación con la presión y los manómetros.
Dentro de los primeros esbozos del concepto de presión, tenemos a Galileo Galilei, célebre científico que aportó grandes ideas al desarrollo de la ciencia. En el año de 1594 obtiene la patente de una máquina para bombear agua de un río. El mecanismo funcionaba como una jeringa, aunque Galileo descubrió que 10 metros eran el límite de altura al que podría llegar el agua cuando era succionada por la jeringa, pero no realizó ninguna investigación para clarificar este fenómeno.
Después en 1644 tenemos al famoso científico italiano Evangelista Torricelli, quien al estar experimentando con un tubo de mercurio inventa el primer barómetro de mercurio, instrumento que permitió medir la presión atmosférica. El experimento consistió en tomar un tubo de vidrio de aproximadamente un metro y el cual estaba cerrado por uno de sus extremos, procedió a llenarlo de mercurio y tapándolo con el pulgar por el extremo abierto, lo giró e introdujo en una cubeta con mercurio y luego quitó el dedo. Después de realizar estos pasos notó que el nivel del mercurio descendió en el tubo hasta quedar aproximadamente a una distancia de 76 centímetros de la superficie y describe por primera vez el ‘vacío’. Los 76 cm de altura que tenía el mercurio en el tubo de vidrio corresponden a los 760 mm Hg que corresponden a una atmósfera y también equivalentes a 1013,25 hPa de la presión atmosférica sobre el nivel del mar. Claro que en tiempos de Torricelli aun no tenían el Sistema internacional y las medidas de metros, gramos y segundos aún no eran utilizados, por el contrario, seguían utilizando las medidas antropométricas, basadas en dimensiones de partes del cuerpo humano. Así que cuando Torricelli describió su experimento lo hizo de la siguiente manera: Indica que el tubo de vidrio que utilizó era de aproximadamente 2 codos y que una vez que el nivel del mercurio descendió, el nivel quedó a una altura sobre la superficie del líquido de la cubeta de “un codo, una cuarta y una pulgada”.
Posteriormente en 1648, Blaise Pascal, científico francés igual que Torricelli, continúa con las investigaciones y experimentos con respecto a la presión, guiándose bajo los estudios de Galileo y Torricelli. El llega a la conclusión que la fuerza, descrita por Torricelli de 76 cm, es el peso del aire de encima y deduce por ende que, en una montaña, la fuerza ejercida por el aire se reduciría, pues el peso del aire sería menor. Realizó múltiples experimentos para probarlo. También define que esta fuerza, se llama presión hidrostática, y que actúa de manera uniforme en todas las direcciones.
“La presión ejercida sobre un fluido poco compresible 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”
Ley de Pascal
Más tarde, en el año de 1656, llega Otto von Guericke, científico alemán que comprueba la teoría de ‘vacío’ de Torricelli con un experimento llamado de Magdeburgo, en donde tomó 2 semiesferas metálicas huecas, e hizo que encajaran la una en la otra de manera que formasen una esfera, de la que extrajo el aire con una máquina de su invención. Los dos hemisferios fueron luego atados a dos fuertes caballos, que tiraban de ellos en sentido contrario y no fue posible separarlas, debido a la presión del aire que empujaba hacia adentro.
Ello se debe a la presión del aire circundante, que supera la fuerza de esos caballos de tiro. En cambio, cuando el recipiente contiene aire, una fuerza insignificante consigue despegar los hemisferios. Guericke demostró la existencia del vacío de una forma muy espectacular. En 1661 construyó un primer modelo de manómetro y un barómetro de columna de agua, con el que pudo registrar las oscilaciones de la presión atmosférica y realizar predicciones atmosféricas.
Por ahora, el último en nuestra lista es Eugene Bourdon, quien realiza múltiples experimentos con el tubo de Bourdon, el cual fue utilizado para realizar mediciones sobre las presiones de fluidos y la presión atmosférica, creando de esta manera el manómetro.
¿Cómo funciona un manómetro?
El funcionamiento básico del manómetro se basa en el tubo de Bourdon. Como ya mencionamos el tubo de Boudron se basa en un tubo enrollado, donde un extremo está cerrado, y otro se conecta al fluido al cual se le desea medir la presión.
El fluido al ingresar al tubo genera una fuerza que hace que el tubo se empiece a desenrollar. Este movimiento al desenrollarse el tubo hace mover una aguja, la cual indica que valor de presión posee el fluido en una escala adecuada.
Como todo lo relacionado a la presión, se expandirá hasta encontrar su punto de equilibrio, momento en que podremos hacer la medición.
Recordemos que dependiendo de cada tipo de manómetro varía el funcionamiento y su aplicación.
Tipos de manómetros
Manómetro de tubo de Bourdon:
Este tipo de manómetro es el más común. Consiste en un tubo, cerrado por uno de sus extremos, aplanado y enrollado en espiral. El otro extremo del tubo se conecta al recipiente del fluido al que se quiere medir la presión. Se hace pasar el fluido por el tubo, el que hará que se vaya desenrollando. Con este movimiento del tubo, se mueve una aguja que marcara la presión del fluido.
La forma y el material del tubo dependerá de la presión que se quiera medir, aunque los más comunes son de latón. Los manómetros Bourdon se clasifican según su diámetro, su elemento sensible y el material de fabricación. Las diferencias entre unos y otros están en fin para el que sirve cada uno.
Manómetro de dos ramas abiertas o de vidrio en u:
Consiste en un tubo de vidrio en forma de U que contiene un líquido, donde una de las ramas está abierta a la atmósfera y la otra está conectada al recipiente que contiene el fluido al que se le quiere medir la presión. El fluido del recipiente penetra en el tubo generando un «empuje» al liquido contenido en este tubo. Es un tipo de Tubo de Pitot donde, una vez insertado en una tubería, nos permite medir la presión del caudal con el que se cuenta. En estos casos se realiza una medida directa de la presión en el punto de unión gracias a la altura o diferencia de nivel a la que se eleva un líquido en un tubo vertical. Todos estos manómetros indican la diferencia entre dos presiones diferentes a la de la atmósfera. Para ello se utiliza un fluido, llamado manométrico, que será el encargado de formar la columna líquida para medir la presión del interior del recipiente. El fluido manométrico puede ser cualquier líquido que no se mezcle con el líquido que está a presión. Para presiones elevadas, grandes diferencias de presión o altos vacíos se utiliza el mercurio como fluido manométrico. Por el contrario, para presiones bajas se usa agua, alcohol u otro líquido con una densidad más baja que la del mercurio.
Manómetro truncado:
Este no es un auténtico manómetro ya que mide presiones absolutas y no manométricas. El funcionamiento es igual al manómetro de vidrio en U solo que la rama que está abierta a la atmósfera en este caso está cerrada. Al estar cerrado, y no incidir la presión atmosférica, se parte realmente de cero; sirve para medir pequeñas presiones gaseosas de 1 Torr.
Manómetro inclinado:
Los manómetros de columna inclinada son usados para medir diferencias de presión muy pequeñas por la amplificación que ofrece este tipo de lectura en comparación con los manómetros de columna de líquido. Estos manómetros con el tubo en U inclinado se utilizan porque la longitud de la altura o la carga pueden multiplicarse por la inclinación de la columna líquida y la escala será así más ancha.
Manómetros patrón:
Aquellos manómetros que se utilizan para calibrar otros manómetros de menor exactitud. Por lo regular son manómetros digitales y de características muy precisas,
Los manómetros digitales son conocidos con el nombre de manómetros electrónicos y tienen un transductor de presión que tiene la capacidad de convertir el nivel de la presión el cual se observa en una señal eléctrica que tiene un valor proporcional con la magnitud de la presión. Este tipo de manómetro utiliza tres diferentes parámetros eléctricos; uno resistivo, uno capacitivo y otro inductivo.
Importancia de la calibración en manómetros
El manómetro es un utensilio de medición muy importante en la actualidad, sin él, no sería posible obtener mediciones precisas sobre las presiones de los distintos materiales y sustancias para realizar diversos trabajos.
Podemos encontrar manómetros en la industria farmacéutica, alimentaria, automotriz, aeronáutica, médica, recreativa (como en el buceo), etc.
La calibración de manómetros, independientemente de su industria y aplicación sería indispensable para asegurarnos de la calidad de las mediciones que se están realizando.
Pongamos dos ejemplos, con dos diferentes escenarios. Imaginemos un manómetro que está siendo utilizado por un avión y que le ayuda a indicar la presurización de la cabina. Imaginemos en el escenario uno, donde se tiene un instrumento calibrado, por lo que se conoce su error e incertidumbres y por ende se pueden realizar mediciones más precisas y exactas corrigiendo las desviaciones y tomando las decisiones pertinentes. En una emergencia, donde exista una despresurización de la cabina, el instrumento arrojará mediciones en las cuales podemos confiar. En cambio, si tenemos un instrumento no calibrado, en una despresurización, quizá el instrumento ni siquiera marque de manera correcta y no se pueda prevenir una desgracia, ya que no se puede tomar una decisión contundente a tiempo.
Ahora en otro ejemplo, en la industria automotriz, los neumáticos contienen cierta presión y se utiliza un manómetro para medirla y así establecer los ajustes necesarios para garantizar la seguridad del usuario. ¿Qué pasaría si no tenemos un manómetro calibrado? Podríamos realizar lecturas incorrectas de la presión de los neumáticos y comprometer la seguridad de una familia que viaja en carretera con el automóvil.
Conclusiones
En conclusión, podemos observar que existe una gran variedad de manómetros y dependerá del proceso de cada industria y el uso que se requiera, la elección de un instrumento apropiado. Sin embargo, no sólo es elegir un buen instrumento que satisfaga las necesidades de los procesos, también sería muy recomendable e inclusive existen normas que obligan a la industria a mantener equipos en excelentes condiciones y además que tengan un certificado de calibración para garantizar la calidad de los productos o servicios que se están brindando.
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