Pressure -spring thermometers

These thermometers are used where remote indication is required, as opposed to glass and bimetallic devices which give readings at the point of detection. The pressure-spring device has a metal bulb made with a low coefficient of expansion material with a long metal tube, both contain material with a high coefficient of expansion; the bulb is at the monitoring point. The metal tube is terminated with a spiral Bourdon tube pressure gage (scale in degrees) as shown in Fig. 1a. The pressure system can be used to drive a chart recorder, actuator, or a potentiometer wiper to obtain an electrical signal. As the temperature in the bulb increases, the pressure in the system rises, the pressure rise being proportional to the temperature change. The change in pressure is sensed by the Bourdon tube and converted to a temperature scale. These devices can be accurate to 0.5 percent and can be used for remote indication up to 100 m but must be calibrated, as the stem and Bourdon tube are temperature sensitive.

Table 1 - Thermal Coefficients of Expansion per Degree Fahrenheit

There are three types or classes of pressure-spring devices. These are as follows:

• Class 1 - Liquid filled
• Class 2 - Vapor pressure
• Class 3 - Gas filled

Liquid filled thermometer works on the same principle as the liquid in glass thermometer, but is used to drive a Bourdon tube. The device has good linearity and accuracy and can be used up to 550°C.

Vapor-pressure thermometer system is partially filled with liquid and vapor such as methyl chloride, ethyl alcohol, ether, toluene, and so on. In this system the lowest operating temperature must be above the boiling point of the liquid and the maximum temperature is limited by the critical temperature of the liquid. The response time of the system is slow, being of the order of 20 s. The temperature pressure characteristic of the thermometer is nonlinear as shown in the vapor pressure curve for methyl chloride in Fig. 1b.

Gas thermometer is filled with a gas such as nitrogen at a pressure range of 1000 to 3350 kPa at room temperature. The device obeys the basic gas laws for a constant volume system giving a linear relationship between absolute temperature and pressure.

Termómetros de resorte de presión

Estos termómetros se utilizan donde se requiere una indicación remota, a diferencia de los dispositivos de vidrio y bimetálicos que dan lecturas en el punto de detección. El dispositivo de resorte de presión tiene un bulbo de metal hecho con un material de bajo coeficiente de expansión con un tubo de metal largo, ambos contienen material con un alto coeficiente de expansión; el bulbo está en el punto de toma de temperatura. El tubo de metal termina con un manómetro de tubo de Bourdon en espiral (escala en grados) como se muestra en la figura 1a. El sistema de presión se puede utilizar para controlar un registrador de gráficos, un actuador o un potenciómetro de barrido para obtener una señal eléctrica. A medida que aumenta la temperatura en el bulbo, aumenta la presión en el sistema, siendo el aumento de presión proporcional al cambio de temperatura. El cambio de presión es detectado por el tubo de Bourdon y convertido a una escala de temperatura. Estos dispositivos pueden tener una precisión de 0,5 por ciento y pueden utilizarse para indicación remota hasta 100 m, pero deben calibrarse, ya que el vástago y el tubo de Bourdon son sensibles a la temperatura.

Tabla 1- Coeficientes térmicos de expansión por grado Fahrenheit

Hay tres tipos o clases de dispositivos de resorte de presión o termómetro de bulbo. Estos son los siguientes:

• Clase 1 - Lleno de líquido
• Clase 2 - A presión de vapor
• Clase 3 - Lleno de gas

El termómetro lleno de líquido funciona según el mismo principio que el termómetro de vidrio con líquido, pero se utiliza para impulsar un tubo de Bourdon. El dispositivo tiene buena linealidad y precisión y se puede utilizar hasta 550 ° C.

El sistema de termómetro de presión de vapor, está parcialmente lleno de líquido y vapor, como cloruro de metilo, alcohol etílico, éter, tolueno, etc. En este sistema, la temperatura de funcionamiento más baja debe estar por encima del punto de ebullición del líquido y la temperatura máxima está limitada por la temperatura crítica del líquido. El tiempo de respuesta del sistema es lento, del orden de 20 s. La característica de presión de temperatura del termómetro no es lineal, como se muestra en la curva de presión de vapor para el cloruro de metilo en la figura 1b.

Figura 1- La figura ilustra (a) un termómetro lleno a presión y (b) la curva de presión de vapor para el cloruro de metilo.

El termómetro de gas se llena con un gas como nitrógeno en un rango de presión de 1000 a 3350 kPa a temperatura ambiente. El dispositivo obedece las leyes básicas de los gases para un sistema de volumen constante, lo que da una relación lineal entre la temperatura absoluta y la presión.

Pressure is the force exerted by gases and liquids due to their weight, such as the pressure of the atmosphere on the surface of the earth and the pressure containerized liquids exert on the bottom and walls of a container.

Pressure units are a measure of the force acting over a specified area. It is most commonly expressed in pounds per square inch (psi), sometimes pounds per square foot (psf) in English units, or pascals (Pa or kPa) in metric units.

The word "pressure," when used in conjunction with mechanical and hydromechanical systems, has two different uses. One is technical; the other, nontechnical. These two uses can be easily distinguished from each other by the presence or absence of a number. In technical use, a number always accompanies the word "pressure." In nontechnical use no number is present. These definitions are further explained in the following paragraphs.

Technical. The number accompanying pressure conveys specific information about the significant strength of the force being applied. The strength of this applied force is expressed as a rate at which the force is distributed over the area on which it is acting. Thus, pounds per square inch (psi) expresses a rate of pressure just as miles per hour (mph) does of speed. An example of this is: "The hydraulic system in UH-1 aircraft functions at 1500 psi."

Nontechnical. The word "pressure," when used in the nontechnical sense simply indicates that an unspecified amount of force is being applied to an object. Frequently adjectives such as light, medium, or heavy are used to remove some of the vagueness concerning the strength of the applied force. 

PRESSURE MEASUREMENT

When used in the technical sense, pressure is defined as the amount of force per unit area. To have universal, consistent, and definite meaning, standard units of measurement are used to express pressure. In the United States, the pound is the unit of measurement used for force, and the square inch is the unit for area. This is comparable with the unit of measurement used for speed: the mile is the unit of measurement for distance, and the hour is the measurement for time. 

A pressure measurement is always expressed in terms of both units of measurement just explained: amount of force and unit area. However, only one of these units, the amount of force, is variable. The square inch is used only in the singular -- never more or less than one square inch. 

A given pressure measurement can be stated in three different ways and still mean the same thing. Therefore, 50 psi pressure, 50 pounds pressure, and 50 psi all have identical meanings. 

Examples of Pressure Measurement. A table with a 10-inch by 10-inch flat top contains 100 square inches of surface. If a 100-pound slab of exactly the same dimensions is placed on the table top, one pound per square inch pressure is exerted over the entire table surface. 

Now, think of the same table (100 square inches) with a 100-pound block instead of the slab resting on its top. Assume this block has a face of only 50 square inches contacting the table. Because the area of contact has been cut in half and the weight of the block remains the same, the pressure exerted on the table doubles to 2 psi. 

As a final example, suppose a long rod weighing 100 pounds with a face of 1 square inch is balanced upright on the table top. The pressure now being exerted on the table is increased to 100 psi, since the entire load is being supported on a single square inch of the table surface. These examples are illustrated in next figure. 

Figure : Measuring Pressure.

Force-Area-Pressure Formulas. From the preceding discussion, you can see that the formula to find the pressure acting on a surface is "pressure equals force divided by area." If "P" is the symbol for pressure, "A" the symbol for area, and “F" the symbol for force, the formula can be expressed as follows: 

P = F/A

By transposing the symbols in this formula, two other important formulas are derived: one for area; one for force. Respectively, they are 

A = F/P           F = A . P 

However, when using any of these formulas, two of the factors must be known to be able to determine the third unknown factor.

Density ρ is defined as the mass per unit volume of a material, i.e., pound (slug) per cubic foot (lb (slug)/ft³) or kilogram per cubic meter (kg/m³).

Specific weight γ is defined as the weight per unit volume of a material, i.e., pound per cubic foot (lb/ft³) or newton per cubic meter (N/m³).

Specific gravity of a liquid or solid is a dimensionless value since it is a ratio of two measurements in the same unit. It is defined as the density of a material divided by the density of water or it can be defined as the specific weight of the material divided by the specific weight of water at a specified temperature. The specific gravity of a gas is its density/specific weight divided by the density/specific weight of air at 60°F and 1 atmospheric pressure (14.7 psia). In the SI system the density in g/cm³ or Mg/m³ and SG have the same value.

Fig1 - Diagram of static, dynamic, and impact pressures.- Ilustración de las presiones estáticas, dinámicas y de impacto.

Static pressure is the pressure of fluids or gases that are stationary or not in motion (see Fig. 1). Point A is considered as static pressure although the fluid above it is flowing.

Dynamic pressure is the pressure exerted by a fluid or gas when it impacts on a surface or an object due to its motion or flow. In Fig. 1 the dynamic pressure is (B − A).

Impact pressure (total pressure) is the sum of the static and dynamic pres- sures on a surface or object. Point B in Fig. 1 depicts the impact pressure.

La presión es la fuerza que ejercen los gases y líquidos debido a su peso, como por ejemplo la presión de la atmósfera sobre la superficie de la tierra y la presión que ejercen los líquidos en un contenedor sobre el fondo y las paredes de un recipiente. Las unidades de presión son una medida de la fuerza que actúa sobre un área específica. Se expresa más comúnmente en libras por pulgada cuadrada (psi), a veces libras por pie cuadrado (psf) en unidades inglesas, o pascales (Pa o kPa) en unidades métricas.

La palabra "presión", cuando se usa en conjunto con sistemas mecánicos e hidromecánicos, tiene dos usos diferentes. Uno es técnico; el otro, no técnico. Estos dos usos se pueden distinguir fácilmente entre sí por la presencia o ausencia de un número. En el uso técnico, un número siempre acompaña la palabra "presión". En uso no técnico, no hay número presente. Estas definiciones se explican con más detalle en los siguientes párrafos. 

• Técnico. El número que acompaña la presión indica información específica sobre la magnitud significativa de la fuerza que se aplica. La magnitud de esta fuerza aplicada se expresa como un regimen al cual la fuerza se distribuye sobre el área sobre el que está actuando. Por lo tanto, libras por pulgada cuadrada (psi) expresa una tasa de presión igual a las millas por hora (mph) de velocidad. Un ejemplo de esto es: "El sistema hidráulico en la aeronave UH-1 funciona a 1500 psi".
• No técnico. La palabra "presión", cuando se usa en el sentido no técnico, simplemente indica que se está aplicando una cantidad no especificada de fuerza a un objeto. Frecuentemente, se usan adjetivos como ligera, media o pesada para eliminar algo de la vaguedad con respecto a la magnitud de la fuerza aplicada.

MEDICIÓN DE LA PRESIÓN

Cuando se usa en el sentido técnico, la presión se define como la cantidad de fuerza por unidad de área. Para tener un significado universal, consistente y definido, se utilizan unidades de medida estándar para expresar la presión. En los Estados Unidos, la libra es la unidad de medida utilizada para la fuerza, y la pulgada cuadrada es la unidad del área. Esto es comparable con la unidad de medida utilizada para la velocidad: la milla es la unidad de medida de la distancia y la hora es la medida del tiempo

Una medición de presión siempre se expresa en términos de las dos unidades de medida que se acaban de explicar: la cantidad de fuerza y la unidad de área. Sin embargo, solo una de estas unidades, la cantidad de fuerza, es variable. La pulgada cuadrada se usa solo en singular, nunca más o menos de una pulgada cuadrada. Una medición de presión dada se puede establecer de tres maneras diferentes y todavía significar lo mismo. Por lo tanto, 50 psi de presión, 50 libras de presión y 50 psi tienen todos significados idénticos. Ejemplos de medición de presión. Una mesa con una parte superior plana de 10 pulgadas por 10 pulgadas contiene 100 pulgadas cuadradas de superficie. Si se coloca una losa de 100 libras de exactamente sobre las mismas dimensiones en la parte superior de la mesa, se ejerce una presión de una libra por pulgada cuadrada sobre toda la superficie de la mesa. 

Ahora, piense en la misma mesa (100 pulgadas cuadradas) con un bloque de 100 libras en lugar de la losa descansando sobre su parte superior. Suponga que este bloque tiene una cara de solo 50 pulgadas cuadradas contactando la mesa. Debido a que el área de contacto se ha reducido a la mitad y el peso del bloque sigue siendo el mismo, la presión ejercida sobre la mesa se duplica a 2 psi.

Como último ejemplo, supongamos que una barra larga que pesa 100 libras con una cara de 1 pulgada cuadrada está equilibrada en posición vertical sobre la mesa. La presión que ahora se ejerce sobre el mueble se incrementa a 100 psi, ya que toda la carga se soporta sobre una única pulgada cuadrada de la superficie de la mesa. Estos ejemplos se ilustran en la figura (anterior). 

Fórmulas de Fuerza-Área-Presión. De la discusión anterior, se puede ver que la fórmula para encontrar la presión que actúa sobre una superficie es "presión igual a fuerza dividida por el área". Si "P" es el símbolo de presión, "A" el símbolo de área y "F" el símbolo de fuerza, la fórmula se puede expresar de la siguiente manera:

 P = F/A

Al transponer los símbolos en esta fórmula, se derivan otras dos fórmulas importantes: una para el área y una para la fuerza. Respectivamente, son :

A = F/P           F = A . P 

Sin embargo, al usar cualquiera de estas fórmulas, dos de los factores se deben conocer para determinan el tercer factor desconocido.

La densidad ρ se define como la masa por unidad de volumen de un material, es decir, libra (slug) por pie cúbico (lb (slug) / ft3) o kilogramo por metro cúbico (kg / m³).

El peso específico γ se define como el peso por unidad de volumen de un material, es decir, libra por pie cúbico (lb / ft³) o newton por metro cúbico (N/m³).

La gravedad específica de un líquido o sólido es un valor adimensional ya que es una relación de dos medidas en la misma unidad.

Se define como la densidad de un material dividida por la densidad del agua o se puede definir como el peso específico del material dividido por el peso específico del agua a una temperatura específica. La gravedad específica de un gas es su densidad / peso específico dividido por la densidad / peso específico del aire a 60 ° F y 1 presión atmosférica (14,7 psia). En el sistema SI, la densidad en g / cm³ o Mg / m³ y SG tienen el mismo valor.

La presión estática es la presión de los fluidos o gases que están estacionarios o no están en movimiento (ver Fig. 1). El punto A se considera presión estática aunque el fluido por encima de él esté fluyendo.

La presión dinámica es la presión que ejerce un fluido o gas cuando impacta sobre una superficie o un objeto debido a su movimiento o flujo. En la Fig. 1 la presión dinámica es (B - A).

La presión de impacto (presión total) es la suma de las presiones estática y dinámica sobre una superficie u objeto. El punto B de la figura 1 representa la presión de impacto.

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