Fuerza [Newton] Presión = [1] Superficie [ metro cuadrado]

Transcripción

1 1.- MEDICIÓN DE PRESIÓN Conceptos Generales La presión es una fuerza aplicada por unidad de superficie: Fuerza [Newton] Presión = [1] Superficie [ metro cuadrado] Suele expresarse también como la altura de una columna de líquido de densidad conocida, y en este caso se la denomina presión de columna hidrostática, su valor está expresado por: Presión = δ g h Donde: δ es la densidad del líquido expresada en: Kg. / cm 3 g. es la aceleración de la gravedad expresada en: cm / segundos 2 h es la altura de columna líquida expresada en: centímetros. La expresión: δ. g ( densidad por la aceleración de la gravedad ) se denomina peso específico (Pe). Existen instrumentos que miden la presión utilizando este principio, y en ese caso suele expresarse la misma en altura de columna, por ej. Mm de mercurio o centímetros de agua Unidades y equivalencias La presión puede expresarse en unidades tales como Pascal, Bar, atmósferas, kilogramo por centímetro cuadrado, y psi ( libra por pulgada cuadrada). En el sistema internacional está normalizado el Pascal que es igual a Newton por metro cuadrado. A continuación, vemos una tabla de equivalencias entre unidades. 2 /15

2 UNIDAD Psi Pulg. De columna de agua Pulg. De Hg Atmósfera Kg/cm 2 Cm de columna de agua Mm de Hg Bar Pascal Psi Pulg.col agua Pulg. Col. De Hg Atmósfera x10 5 Kg/cm Cm col. de agua Mm de hg Bar Pascal x x Por ejemplo: Para convertir, 30 Psi [ libras por pulgada cuadrada], a Kg. / cm2, debemos multiplicar: 30 Psi x 0,0703 = Kg/cm Tipos de presión La presión puede medirse en valores absolutos o diferenciales. En la figura, p r e s i ó n A A B Presión atmosférica B B C C D D D Cero absoluto 3 /15

3 se muestran las diferentes clases de presión que miden normalmente los instrumentos industriales. Ellas son: A - A presión absoluta (referida al cero absoluto ) B B B Presiones Marométricas ( referidas a la presión atmosférica) C - C Presión diferencial D D D Vacío ( presión negativa referida a la presión atmosférica) La presión atmosférica es la presión ejercida por la atmósfera terrestre, medida mediante un barómetro. Al nivel del mar, esta presión es de 760 mm de Hg. La presión manométrica, es la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica, también llamada presión Relativa. La presión Diferencial, es la diferencia entre dos presiones, ( puntos C C ). El Vacío es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, cuando esta diferencia es menor que la presión atmosférica Métodos sensores y transductores Básicamente podríamos decir que los métodos sensores de presión más usados en la instrumentación industrial son: a) La membrana b) El diafragma c) El fuelle d) El tubo de Bourdón En todos los casos mencionados, el dispositivo usado como sensor, reacciona ante la fuerza ejercida por la presión, provocando una deformación mecánica, que luego será transducida a otra señal para ser mostrada o visualizada ( aguja, señal eléctrica, neumática etc.). En nuestro caso en particular, fijaremos nuestra atención en el tubo de Bourdón como sensor, y en el dispositivo piñón, cremallera y aguja como transductor. 2.- Patrones Primarios y secundarios A nivel internacional, para la medición de presión manométrica se consideran como patrones primarios a aquellos reconocidos ampliamente como patrones que tienen las más altas 4 /15

4 cualidades metrológicas y cuyo valor es aceptado sin referencia a otros patrones de la misma magnitud. Este es el caso de las columnas de líquido y las balanzas de presión (balanzas de pesos muertos). Luego suelen usarse como patrones secundarios, manómetros de tipo Bourdón de alta precisión ( clase 0,25) y / o manómetros transmisores electrónicos de lectura digital BALANZAS DE PESO MUERTO ó BALANZAS DE PRESIÓN La balanza de presión, conocida también como balanza de pesos muertos, o manómetro de pistón, es un instrumento de medición que es utilizado como patrón para calibrar. Generalmente, las balanzas de presión miden con referencia a la presión atmosférica. Para realizar una medición con una balanza, se debe conocer la presión del fluido manométrico; la forma de hacerlo, es encontrando el equilibrio de la presión interna de la balanza, (suministrada por el tornillo compresor) y la presión generada por el peso de las masas sobre el área del pistón. Una vez encontrado este equilibrio o flotación se puede conocer la presión utilizando la ecuación [1] Existen varios factores que limitan la exactitud de las balanzas de presión, algunos de los principales son: a)la fricción entre el pistón y el cilindro, b)la incertidumbre en la medición del área del pistón. Para reducir la fricción, en el momento de la flotación se hace girar el conjunto de las masas con el pistón (el coeficiente de fricción dinámico es mucho menor que el coeficiente de fricción estático). Por otra parte, para lograr una fuga despreciable de fluido manométrico en las balanzas (flujo de fluido a través del espacio anular entre el pistón y el cilindro) se utilizan superficies largas, esto es longitudes mayores del pistón COLUMNAS DE HIDROSTÁTICAS Gracias a la simplicidad de su funcionamiento y a lo económico que puede resultar su compra o fabricación, las columnas de líquido (principalmente mercurio o agua) son el patrón de referencia de mayor uso en este intervalo de presión. Las columnas de líquido son el único instrumento basado en métodos primarios que puede encontrarse tanto como patrón de referencia como instrumento ordinario. Las columnas de líquido son el instrumento de medición de presión más versátil, ya que permite implementar fácilmente configuraciones para la medición de diferentes tipos de presión, prácticamente con cualquier líquido: a) presión relativa, b) presión diferencial c) con manómetros de mercurio, presión negativa, presión absoluta y presión barométrica. [1]. La mayor parte de los sistemas primarios de presión barométrica se basan en sistemas de columnas de mercurio. Estos son reconocidos internacionalmente como patrones primarios de presión, ya que pueden ser referidos a magnitudes básicas, medidas con muy baja incertidumbre 5 /15

5 En el alcance de medición de 100 µpa hasta 130 kpa las columnas de mercurio son los instrumentos más exactos para medir presión. Para cubrir distintos intervalos de medición se han fabricado diferentes diseños. El método clásico para la medición de presión en una columna de líquido, emplea agujas metálicas orientadas por micrómetros o un catetómetro para determinar la posición de los niveles de mercurio y con esto, la diferencia de altura de la columna. Esta técnica tiene un límite de exactitud de 0,01 mm para el catetómetro (esto es, cercano a 3 Pa). Para presiones de hasta 100 kpa, se pueden lograr mejores exactitudes utilizando interferometría óptica. Su exactitud va hasta 0,01 µm, una incertidumbre relativa expandida aproximada de µm de la lectura. A estos niveles de exactitud, las incertidumbres en la medición de longitud, aceleración de la gravedad, densidad del líquido (que es dependiente de la presión y temperatura), columna de aire, presión de vapor del líquido, y depresión por capilaridad, se vuelven críticas. Para medición de alta exactitud deben considerarse forzosamente las correcciones de los posibles errores debidos a las variables de influencia mencionadas, exceptuando la depresión por capilaridad de la superficie del mercurio, efecto que puede se minimizado mediante el uso de tubos con algunos centímetros de diámetro. La presión generada por las columnas de mercurio se determina mediante la siguiente ecuación general: Pa = rhg g h cos q + Pb (1) Donde, Pa presión a ser medida, rhg densidad del líquido, g aceleración de la gravedad local, h altura de la columna de líquido, rhg g h presión generada por la columna de líquido manométrico, q ángulo de desviación de la columna con respecto a la vertical, Pb presión en la columna de referencia. 2.3 MANÓMETROS DE REFERENCIA Los manómetros patrón, se emplean como testigos de la correcta calibración de los instrumentos de presión. Son manómetros de alta precisión con un valor mínimo de 0,25 % de error a plena escala ( clase 0,25). Esta precisión se consigue de varias formas: 1.- Dial con una superficie especular, de modo que la lectura se efectúa por 6 /15

6 coincidencia exacta del índice y de su imagen, eliminando así el error de paralaje. 2.- Dial con graduación lineal, lo que permite su fácil y rápida calibración. 3.- Índice y graduaciones de escala muy finas. 4.- Compensación de temperatura con bimetal. 5.- Tubo de Bourdón de varias espiras. También pueden utilizarse como aparatos patrón de calibración, transmisores digitales cuya precisión suele ser mejor que 0,2 % de PE. La calibración periódica de los manómetros patrón se consigue mediante éstos transmisores digitales o bien mediante la balanza de pesos muertos. 3.-MANÓMETRO TIPO BOURDÓN ELEMENTOS COMPONENTES 7 /15

7 3.2.-Procedimiento general de calibración Un instrumento representativo, se considera que está bien calibrado cuando en todos los puntos de su campo de medida, la diferencia entre el valor real de la variable y el valor indicado o registrado o transmitido, está comprendido entre los límites determinados por la precisión del instrumento. 8 /15

8 En un instrumento ideal (sin error), la relación entre los valores reales de la variable comprendidos dentro del campo de medida, y los valores de lectura del instrumento, es lineal. En la figura 1 puede verse esta relación. En particular, si el instrumento que se está calibrando es un transmisor de presión con salida de corriente 4 20 ma, para entradas de presión (patrón) de 0, 5, 10, y 15 Kg/cm2; las salidas serán: 4, 9.3, 14.6, y 20 ma. La operación de conversión de salida de corriente a la presión correspondiente se denomina escalado. En condiciones de funcionamiento estático, las desviaciones respecto a la relación lineal ideal indicada, dan lugar a los errores de calibración de los instrumentos Lectura del i t t Valores patrón Intervalo de medida Figura 1: Curva de calibración ideal Una curva de calibración típica de un instrumento se verá como la figura 2. A su vez esta curva puede descomponerse en tres curvas que representan individualmente los tres tipos de errores que pueden hallarse en forma aislada o combinada en los instrumentos 9 /15

9 1 Lectura del 1 5 Ideal o referencia Intervalo de medida Valores Figura 2: Curva típica de un instrumento descalibrado Descomposición de la curva de calibración típica: Error de cero: Todas las lecturas están desplazadas un mismo valor con relación a la recta representativa del instrumento. En la figura 3, se ve que este desplazamiento (error) puede ser positivo o negativo, y que la pendiente o inclinación de la curva de calibración no cambia con respecto a la ideal. 15 Lectura del instrumento Intervalo de medida Valores patrón 10 /15

10 Figura 3: Error de cero Error de ganancia, o de pendiente Todas las curvas aumentan o disminuyen progresivamente con relación a la recta ideal o de referencia, el punto de base de la curva coincide con el cero ideal, y la desviación puede ser positiva o negativa. (Figura 4) 15 Lectura del instrumento Intervalo de medida Valores patrón Figura 4: Error de ganancia, puede ser positivo o negativo Error de linealidad ( angularidad): La curva real coincide con la ideal en los puntos del o y 100% del rango, pero se apartea de la recta ideal en los restantes valores. El mayor error de este tipo suele coincidir con el centro de la escala. Figura /15

11 15 Lectura del instrumento Valores patrón Intervalo de medida Figura 5: Error de alinealidad. Los instrumentos pueden ajustarse para corregir estos errores, si bien hay que señalar que algunos instrumentos no están preparados para recibir ajustes en todos los casos. Lo normal en una curva de calibración real es la convinación de estos tres errores (fig. 2) Registros de ensayo El registro de ensayo es un documento interno, cuya característica principal es contener toda la información referida al instrumento, a las condiciones del ensayo, y los datos del operador. Un ejemplo se muestra en la figura /15

12 Fecha:...Hoja:... Ensayo:... Instrumento:... Marca:... Modelo:... Rango:... Apreciación/Resolución:... Clase:... Peticionario:... Procedimiento:... Nº de inventario:... Certificado Nº:... Patrón:... Operador:... Lectura Lectura Lectura Lectura Lectura Lectura Lectura Promedio Promedio Patrón ascendente Descendente Ascendente Descendente Ascendente Descendente Ascendente Descendente Observaciones: Figura 5: Ejemplo de registro de ensayo. 13 /15

13 3.4.- Prácticas de Calibración Operaciones previas Antes de realizar la calibración se realizarán una serie de comprobaciones preliminares procediéndose a una inspección visual general. a) Se comprobará que el manómetro esté identificado con su marca, modelo y número de serie correspondiente, o con un código interno del propietario. En este tipo de manómetros es bastante corriente encontrarse instrumentos sin modelo, marca o número de serie, en este caso se le asignará un código de identificación que se grabará o fijará de forma adecuada sobre el manómetro. b) Se comprobará el estado de la carátula, aguja indicadora (posibles defectos, torceduras, etc.), separación entre divisiones, respuesta a las variaciones de presión, etc. c) Los manómetros que vayan a ser utilizados con fluido tóxico o inflamable, deberá estar igualmente identificado siguiendo la normativa vigente. Cualquier duda sobre el fluido utilizado (liquido o gas), se consultará con el peticionario de la calibración. Cualquier anomalía detectada se hará saber al cliente antes de realizar ninguna medida. d) Para establecer las condiciones ambientales de calibración (temperatura y humedad) habrá que referirse a los manuales de los fabricantes y ver las especificaciones de uso. e) Más importante que estar a una temperatura determinada es su estabilidad; deberán medirse las oscilaciones térmicas durante la calibración para realizar las correcciones si fuesen necesarias (en función de la incertidumbre esperada), y calcular la incertidumbre correspondiente a este factor de influencia. f) Se comprobarán fugas en los sistemas hidráulicos o neumáticos, y se desperezará el manómetro subiendo y bajando presión dos o tres veces hasta fondo de escala. Una idea de la existencia de fugas nos la dará la indicación del manómetro, lecturas que no son estables y que van disminuyendo lentamente. g) Manómetro y Patrón se colocarán al mismo nivel de referencia para minimizar las variaciones de presión por diferencia de altura. h) El Patrón se programará a ser posible en las mismas unidades que el manómetro a calibrar. 14 /15

14 i) Una vez que se ha comprobado el estado de todos los equipos y medios auxiliares, así como el período mínimo de estabilización térmica (al menos tres horas), se procederá a la calibración del manómetro. Proceso de calibración Secuencias posibles de calibración. El proceso de calibración seguirá las secuencias descritas a continuación: 1) Comprobación inicial de tres puntos 1/3, 2/3 y 3/3 del rango del manómetro. Previamente a la calibración deberán chequearse tres valores iniciales, en la parte baja, media y alta del manómetro respectivamente. Estos datos iniciales nos indicarán como se encuentra el instrumento desde su ultima calibración (si que disponemos de ella) y si es necesario su ajuste. De esta forma tendremos información del estado del instrumento. 2) Ajustes si fuesen necesarios. Esta secuencia deberá realizarse, siempre previa consulta al usuario, cuando los valores indicados por el instrumento sean mayores a los permitidos según sea su tolerancia o clase, o cuando los errores encontrados sean superiores a unos límites establecidos. 3) Calibración. Es la calibración propiamente dicha, se debe aplicar siempre después de la primera secuencia o de la segunda, si el cliente ha autorizado el ajuste. Definición de los puntos de medida. La calibración cubrirá todo el rango del instrumento, se realizarán al menos 5 puntos que estarán regularmente espaciados, desde el 10% al 100% de su rango, además del cero si no tiene tope. Deberá tenerse en cuenta la posibilidad de que el cliente elija los puntos de calibración, en este caso el procedimiento se realizará de la misma forma pero en valores definidos por el usuario. Calibración. Una vez desperezado el manómetro y definidos los puntos de calibración, se procederá a calibrar el instrumento. 15 /15

15 Con el generador o bomba manual se irá generando presión hasta alcanzar un valor cercano al primer punto definido de presión, a continuación con el regulador se ajustará la presión hasta que la lectura del Patrón sea la deseada. La lectura del manómetro se realizará vibrando ligeramente el instrumento para evitar errores producidos por fricciones mecánicas. La medida será valida siempre que el sistema sea estable y no se observen saltos o variaciones en las indicaciones del Patrón e Instrumento. Se repetirá este paso con los siguientes puntos de calibración, siempre aumentando la presión hasta llegar al valor máximo definido. El mismo proceso se realizará, pero ahora en sentido de presiones decrecientes hasta llegar al cero del manómetro. Se realizará la lectura del cero y se volverá a iniciar el ciclo. Se realizarán dos series de medidas siguiendo los ciclos definidos anteriormente: creciente y decreciente, con lo cual obtendremos 4 valores por punto de calibración, cantidad que se estima suficiente para la mayoría de instrumentos de este tipo. En el caso particular de manómetros bourdon de precisión (mejor del 0.1%), se realizarán tres series de medidas en ciclos crecientes y decrecientes con lo cual se tendrán 6 valores por punto. Una vez finalizada la calibración y antes de quitar el montaje conviene analizar los datos obtenidos por si fuese necesario repetir algún punto de valor dudoso. 16 /15