Conceptos Básicos de Metrología en Presión

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1 Conceptos Básicos de Metrología en Presión Ing. Luis Urbino Badilla Rojas Diciembre, 2014

2 OBJETIVO GENERAL Introducir los conceptos metrológicos relacionados con la magnitud de presión.

3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Proporcionar la terminología, conceptos y definiciones metrológicas y físicas, respectivamente, de la magnitud de presión. Conocer algunos procedimientos de calibración de los instrumentos para medir presión. Aprender el esquema para obtener las incertidumbres de una calibración de presión.

4 TERMINOLOGÍA, CONCEPTOS Y DEFINICIONES PRESIÓN: físicamente se define como la razón fuerza entre área: P = F/A Las unidades de presión, en el Sistema Internacional, son: 1 Newton/metro 2 = 1 Pascal (1 N/m 2 = 1 Pa)

5 PRESIÓN DIFERENCIAL: Es la diferencia de presiones entre dos valores de presión en términos absolutos. PRESIÓN ABSOLUTA: Es la presión medida con referencia a la presión cero en términos absolutos (vacío total). PRESIÓN RELATIVA: Es un tipo particular de presión diferencial, tomando a la presión atmosférica como referencia.

6 GRÁFICO DE PRESIONES

7 UNIDADES DE PRESIÓN EN EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (S.I.) Símbolo Unidad Definición bar bar 1 bar = 100 kpa kpa kilopascal 1 kpa = 1000 Pa mbar milibar 1 mbar = 100 Pa MPa megapascal 1 MPa = 10 6 Pa Pa pascal 1 Pa = 1 N/m 2

8 METROLOGÍA Campo del conocimiento que estudia todos los problemas relativos a las mediciones. Se puede considerar como una ciencia independiente y completa por sí misma, con sus aspectos teóricos y prácticos, que tiene por finalidad establecer un conocimiento objetivo de nuestro mundo físico.

9 Los principales campos que abarca son: Las unidades de medida y sus patrones (su establecimiento, reproducción, conservación y diseminación). Las mediciones (sus métodos, su ejecución, la estimación de su exactitud, etc.). Los instrumentos de medición (sus propiedades examinadas desde el punto de vista de su utilización final). Los observadores (sus cualidades referidas a la ejecución de mediciones).

10 CALIBRACIÓN Conjunto de operaciones que establecen, bajo condiciones específicas, la relación entre los valores de las magnitudes determinadas por un instrumento de medición, medida materializada o material de referencia y los correspondientes valores de la magnitud realizados por los patrones.

11 VERIFICACIÓN Revisión o prueba con respecto a una norma o documento legal (reglamento técnico de cumplimiento obligatorio) para determinar si un instrumento o medio de medición cumple con las especificaciones establecidas o recomendadas.

12 AJUSTE Operación de llevar un instrumento de medición o medida materializada hacia un estado de funcionamiento apropiado para su uso.

13 TRAZABILIDAD Propiedad del resultado de una medición o del valor de un patrón tal que éste puede ser relacionado con referencias establecidas usualmente a patrones nacionales o internacionales, por medio de una serie ininterrumpida de comparaciones teniendo todas las incertidumbres determinadas.

14 PATRÓN PRIMARIO Patrón de una cantidad particular que tiene las cualidades metrológicas más altas en un campo dado. Nunca es calibrado por otro patrón de la misma magnitud. PATRÓN SECUNDARIO Patrón cuyo valor ha sido fijado por comparación directa o indirecta con un patrón primario.

15 PATRÓN INTERNACIONAL Patrón primario reconocido por acuerdo internacional. PATRÓN NACIONAL Patrón reconocido por una decisión nacional para servir como base para asignar valores de esa magnitud específica de ese país. PATRÓN DE REFERENCIA Patrón generalmente de la mayor calidad metrológica disponible en un lugar u organización dada y del cual se derivan las mediciones que se ejecutan.

16 PATRÓN DE TRABAJO Patrón que es utilizado rutinariamente para calibrar o comprobar medidas materializadas o materiales de referencia.

17 A modo de ejemplo presentamos algunos instrumentos que sirven como patrones en presión: Patrones de referencia: se utilizan medidores de presión de la más alta exactitud, tales como: manómetros a pistón manómetros líquidos (tubos en U) vacuómetros en base a fricción de gas

18 Patrones de trabajo: se utilizan en un nivel de menor exactitud: manómetros pistón de menor exactitud manómetros con base en sensores de cuarzo transductores con base en piezo resistividad manómetros con base en bandas extensiométricas (strain gauge) manómetros con base en resortes (tubo Bourdon, fuelle, espira, diafragma, etc.)

19 BUENAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO Etiquetado del manómetro en su recepción de acuerdo al medio de transmisión de presión en su aplicación. Limpieza interna y externa del manómetro antes de conectarlo al equipo de calibración. Escogencia del medio transmisor de presión a ser utilizado en la calibración.

20 BUENAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO NOTA: NUNCA contaminar con aceite u otros componentes orgánicos a los manómetros utilizados para medir presión de oxígeno o hidrógeno Contaminantes 50 ppm Emplear anteojos de seguridad al manipular equipo con presión neumática

21 Manómetro de líquido, U-Tube

22 Micro-manómetro

23 Manómetros interferométrico NPL, UK

24 Manómetro interferométrico de mercurio, NPL, UK Gauge

25 Medidor de presión de pistón, Amagat circa 1893

26 Medidor de presión de pistón - Ruchholz 1882

27 Medidores de presión por deformación

28 MANÓMETRO Tubo de Bourdon

29

30 MANÓMETRO de Diafragma

31

32 Sistemas de Tuberías

33 Tubo de cobre (Cu) Dúctil, fácil de cortar Soplar sólo con aire comprimido limpio Flexible; dobleces con herramientas apropiadas (para no estrangular el tubo al doblarlo) Fácil de conectar (variedad de conectores)

34 Tubo de cobre (Cu) Alcance: no existe dato, pero se puede hacer coincidir el alcance máximo 10 MPa Presión máxima de operación 10 MPa (diseño de sistemas)

35 Tubo de acero inoxidable: Permite conexiones mejor selladas (ultra alto vacío) Soporta las mayores presiones flexibles que existen) 10 GPa (pero no las conexiones Limpio, mayor versatilidad en conexiones (ya prediseñadas)

36 Tubo de PVC y otros plásticos: Buenos para presión positiva Evitar en aplicaciones de vacío (mayor desprendimiento de gas) Uso en ambos sistemas (pero las mangueras- alta presión- hidráulicas que se usan con aceite, son especiales y deben ser específicas para ese uso ya que el aceite disuelve el hule)

37 Aspectos a considerar para seleccionar un patrón

38 Alcance Presión absoluta Presión relativa Presión positiva Vacío Incertidumbre Preferiblemente 1/10 de la menor incertidumbre esperada para un equipo a calibrar. Puede ser 1/3 cuando un equipo es muy parecido al patrón

39 Condiciones de uso Equipo utilizado en la industria o sólo en laboratorio. Condiciones locales: valor de la gravedad sobre el nivel de mar, densidad del aire, intervalo de temperatura, suministro local de electricidad, etc.

40 Balanzas de presión expresan exactitud respecto al rango de lectura Manómetros y transductores expresan exactitud respecto del alcance máximo Ejemplo: U = 200 Pa 0,1 % R (reading) U = 0,05% de 500 Pa (full scale)

41 Factores de influencia en la magnitud de presión

42 Factores del modelo de medición g l : gravedad local P n : presión nominal h: altura : densidad del fluido c: coeficiente (combinado del pistón y cilindro) t pistón-cilindro : temperatura

43 Otros: t amb : temperatura ambiente HR: humedad relativa P atm : presión atmosférica m (sólo para flotación cruzada) Paralaje

44 Valores típicos de incertidumbre de patrones de referencia

45 Rango de presión Valores típicos de la incertidumbre expandida U en relación con el valor medido 10 9 mbar mbar 10%...6% 10 6 mbar mbar 4%...1% 10 2 mbar...10 mbar 0,5%...0,3% 10 mbar...50 mbar 0,03% 50 mbar... 1 bar 0,01% 1 bar bar 0,008% 700 bar bar 0,012% 2000 bar bar 0,07%

46 Procedimientos de calibración

47 Medio Neumático (modo relativo) 1. Manómetro vs. Balanza de Presión 2. Manómetro vs. Manómetro Medio Hidráulico (modo relativo) 1. Manómetro vs. Balanza de Presión 2. Manómetro vs. Manómetro

48 Procedimiento de operación para la calibración de Manómetros vs. Balanza de Presión, Medio Neumático o Hidraúlico, Modo Relativo Bajar la presión hasta cero (presión relativa) Se realizan cuatro corridas: dos en ascenso y dos en descenso, de forma intercalada. Usualmente se calibran cinco puntos: uno al 10%, tres a 25%, 50% y 75%; uno en el ámbito de 90% a 100%.

49 Ecuación de balanza de presión en medio neumático Ecuación de balanza de presión en medio hidraúlico +ρ f g f h

50 Ecuación de balanza de presión calibrada en presión (cualquier medio) P = P masas corregida g local g estandar 1 α t 0 t ρ g local h Ecuación de la gravedad local g local = g estandar 1 + f sen 2 θ f 4 sen 2 2 θ 3,086x10 6 H Donde g estandar = 9, m s 2 f = 0, f 4 = 0, θ = latitud, en grados ( ) H = altitud sobre nivel del mar (m)

51 Ecuación general de una calibración Corrección = I patrón corregida I calibrando

52 Cálculo de incertidumbre

53 Lo que pide la guía para la expresión de la incertidumbre de medida (GUM): Factores de influencia. Confianza del 68% (k = 1) Combinarlos (factores de sensibilidad) Incertidumbre combinada TIPO A, criterio estadístico TIPO B, criterio no estadístico Incertidumbre expandida (k = 2; 95%)

54 Requisitos de la ISO/IEC 17025:2005 para certificados de calibración

55 Título: Informe de Ensayo o Certificado de Calibración Nombre, dirección del laboratorio, ubicación, lugar donde se realizó la calibración Identificación única del documento Nombre y dirección del cliente Método utilizado Descripción (sin ambigüedad) del objeto sometido a ensayo Fecha de recepción del equipo Referencia del procedimiento utilizado Resultados del ensayo o calibración Nivel de confianza Datos del patrón

56

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