Cómo medir presiones muy bajas en entornos controlados

La medición de presiones muy bajas en entornos controlados requiere instrumentos de presión diferencial altamente precisos y estables, capaces de detectar cambios tan pequeños como 0,01 pulgadas de columna de agua. En espacios como salas de aislamiento, salas blancas, laboratorios y centros de datos, incluso la más mínima variación de presión puede comprometer la seguridad, la esterilidad o el rendimiento del sistema.

Los ingenieros responsables de estos entornos se enfrentan a un difícil reto: mantener tolerancias de presión extremadamente estrictas teniendo en cuenta los cambios de temperatura, la disposición de los tubos, las limitaciones de espacio y la dinámica del flujo de aire. Cuando falla el control de la presión, los contaminantes pueden migrar, los patógenos pueden propagarse o los procesos sensibles pueden verse interrumpidos.

En este artículo, definiremos qué significa «presión muy baja», examinaremos las aplicaciones comunes en entornos controlados, exploraremos los retos de medición y describiremos qué hay que buscar en un sensor de presión diseñado para estos espacios críticos.

¿Qué es una presión «muy baja»? 

La presión muy baja suele referirse a presiones diferenciales medidas en fracciones de pulgada de columna de agua, a menudo tan bajas como 0,01 pulgadas de H₂O.

Aunque «presión baja» puede describir en general cualquier valor inferior a 15 psi, los entornos controlados funcionan en un rango mucho más pequeño y sensible. Para comprender lo pequeña que es realmente una columna de agua de 0,01 pulgadas, considere lo siguiente:

• Representa la diferencia de presión recomendada por los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) para las salas de ambiente protector (PE) utilizadas para evitar la liberación de contaminantes.

• Es aproximadamente la mitad de la diferencia de presión atmosférica entre una persona de 1,52 m y otra de 1,83 m de estatura que están una al lado de la otra (aproximadamente 0,018 pulgadas de H₂O).

• Es comparable a una perturbación muy sutil en el aire.

Estas diferencias mínimas de presión son fundamentales en las salas de aislamiento de los hospitales y en las salas blancas, donde la dirección del flujo de aire determina si los contaminantes quedan confinados o pueden migrar.

Para demostrar lo baja que es una medición de 0,01 pulgadas de agua, eche un vistazo a la imagen de un hombre de 1,5 m y otro de 1,8 m en la figura 1 a continuación. La diferencia de altura entre estos dos hombres que respiran el mismo aire es de 30 cm, con una diferencia de presión atmosférica equivalente a 0,018 pulgadas de agua. Esa pequeña presión diferencial (DP) es casi el doble de lo que recomienda el CDC para el control crítico de las habitaciones.

Figura 1. Ejemplo de presión diferencial Ejemplo de presión diferencial.

¿Por qué es tan difícil medir presiones muy bajas?

Medir presiones muy bajas en entornos controlados es difícil porque la tolerancia de presión diferencial permitida es extremadamente pequeña, e incluso las influencias ambientales más leves pueden afectar al rendimiento del instrumento.

Varias industrias dependen de la medición y supervisión precisas de bajas presiones. Dos ejemplos comunes, las salas de aislamiento de los hospitales y las salas blancas, ilustran por qué la estabilidad y la sensibilidad son esenciales.

1. Las salas de aislamiento requieren una presión diferencial negativa para contener los contaminantes.

Esto es fundamental para evitar que las bacterias o los virus transportados por el aire salgan de la habitación e infecten al personal, los pacientes o los visitantes. Por ejemplo, en una habitación de aislamiento de un hospital:

• La presión de la habitación debe mantenerse ligeramente inferior a la del pasillo.

• Los puntos de ajuste de presión diferencial pueden ser tan bajos como 0,01 pulgadas de H₂O.

• El instrumento que controla el sistema de tratamiento del aire debe ser muy preciso, sensible y estable.

En estas aplicaciones, a menudo se recomienda utilizar un transmisor de tipo cerrado para evitar que los patógenos se escapen a través del propio dispositivo de medición.

En esta aplicación de sala de aislamiento, medimos la diferencia de presión atmosférica entre cada sala y el punto de referencia, situado en el pasillo (o vestíbulo). Uno de los retos es que, a menudo, se requiere un producto de tamaño reducido para que quepa en el espacio diseñado.

Como se puede ver en la imagen siguiente, los transductores de presión se pueden instalar dentro de cada habitación, pero también se pueden instalar de forma remota para facilitar la supervisión desde una ubicación separada.

Figura 2. Ejemplo de sala de aislamiento. 

2. Las salas blancas requieren una presión diferencial positiva para evitar la contaminación.

Las salas blancas funcionan según el principio opuesto: mantienen una presión diferencial positiva para que los contaminantes no puedan entrar desde las zonas circundantes.

Cuando se abre la puerta de una sala blanca:

• El aire debe fluir hacia el pasillo.

• No debe entrar aire ni contaminantes en el espacio controlado.

Aunque la polaridad de la presión difiere de la de las salas de aislamiento, los retos de medición siguen siendo similares:

• Rangos de presión diferencial muy bajos

• Tolerancias de control estrictas

• Requisitos de estabilidad a largo plazo del sensor

Ambas aplicaciones también se enfrentan a retos adicionales, como los efectos de la cabeza, las limitaciones en la disposición de los tubos y la selección adecuada de la tecnología de sensores.

Figura 3. Ejemplo de sala limpia

¿Cómo afectan las diferencias de temperatura a la precisión de la medición de la presión?

Los cambios de temperatura pueden afectar a las mediciones de presión muy baja al alterar la densidad del aire dentro de los tubos de presión, creando lo que se conoce como efecto «cabezal».

En muchas aplicaciones de edificios y salas blancas, los transductores de presión pueden montarse en espacios plenum que contienen ventiladores, conductos y equipos de calefacción. Estos componentes pueden crear aumentos de temperatura localizados que afectan al aire dentro de los tubos de presión.

Por ejemplo, en la siguiente ilustración se puede observar:

• Los transductores de presión están situados en la zona superior derecha (un área con temperatura controlada).

• El motor del ventilador está situado en la zona superior izquierda, cerca de un motor de ventilador.

•  Cuando el motor del ventilador comienza a funcionar, la temperatura empieza a subir y el aire dentro del tubo de presión se calienta. 

Al medir presiones diferenciales extremadamente bajas, incluso pequeñas diferencias de temperatura pueden introducir errores medibles.

Para minimizar los efectos de la temperatura, puede:

• Conecte los tubos de presión (para puertos altos y bajos) juntos.
• Mantenga los tubos expuestos a temperaturas similares.
• Aísle los tubos siempre que sea posible.
• Evite el paso cerca de fuentes de calor.

El control de estos factores ayuda a preservar la precisión de las mediciones y la estabilidad del sistema. Para obtener más información sobre los tubos de presión, lea ¿Puede la longitud del tubo de presión afectar a mi transductor de baja presión? 

Figura 4. Efectos de la temperatura en los transductores de presión.

¿Cuáles son los retos que plantea la medición del flujo de aire en los conductos?

La medición del flujo de aire en entornos controlados se basa en instrumentos de presión diferencial que son lo suficientemente sensibles como para detectar pequeños cambios de presión a través de un tubo de Pitot.

Un tubo de Pitot consta de:

• Una cámara interior que mide la presión dinámica.

• Un tubo exterior que mide la presión estática.

La diferencia entre estas dos presiones se utiliza en la ecuación de Bernoulli para calcular la velocidad del aire.

Una consideración clave es que la presión diferencial es proporcional al cuadrado de la velocidad. Si la velocidad se duplica, la presión diferencial aumenta cuatro veces. Esta relación plantea varios retos de medición:

• Amplios rangos de caudal de funcionamiento

• Presiones estáticas relativamente altas en comparación con valores DP pequeños.

• La necesidad de mediciones repetibles y estables

Dado que el control del flujo de aire está directamente relacionado con la precisión de la medición de la presión, el rendimiento del sensor desempeña un papel fundamental en el mantenimiento del control ambiental.

Figura 5. Ejemplo de medición del caudal de aire mediante la ecuación de Bernoulli.

Factores a tener en cuenta al seleccionar un sensor de presión diferencial para entornos controlados

Un sensor de presión utilizado en entornos de muy baja presión debe proporcionar una alta sensibilidad, repetibilidad y estabilidad a largo plazo, al tiempo que minimiza la deriva.

Entre las características de rendimiento importantes se incluyen:

• Alta precisión en rangos de presión diferencial bajos

• Fuerte repetibilidad

• Sensibilidad mínima a la temperatura

• Estabilidad de rendimiento a largo plazo

• Construcción robusta del sensor

Los sensores de capacitancia variable basados en MEMS de silicio, como los utilizados en los transductores de presión Ashcroft® CXLdp, DXLdp y GXLdpcon tecnología Si-Glas™, combinan la alta sensibilidad de la medición de capacitancia variable con la repetibilidad de un diafragma de silicio monocristalino microfabricado.

Dado que el elemento sensor está compuesto por silicio, metales pulverizados y vidrio unidos molecularmente, sin epoxis ni materiales orgánicos, el diseño ayuda a reducir la degradación mecánica y la deriva a largo plazo.

En entornos controlados donde las presiones diferenciales se miden en centésimas de pulgada de columna de agua, la estabilidad del sensor no es opcional, sino esencial.

Figura 6. Sensor de capacitancia variable Si-Glas™. 

¿Quiere saber más?

Ahora que ya sabe cómo se define la presión muy baja, por qué los entornos controlados requieren tolerancias tan estrictas y cómo la temperatura y el flujo de aire influyen en la precisión de las mediciones, quizá le interesen los recursos relacionados que se enumeran a continuación.  

Si tiene preguntas específicas sobre aplicaciones, póngase en contacto con nosotros y nuestros especialistas en medición de presión estarán encantados de ayudarle a evaluar la tecnología de detección adecuada para su entorno controlado.

Mientras tanto, descargue nuestra guía para aprender sobre instrumentos de presión diseñados para entornos críticos.