Metrología de Presión

Objetivos

•Objetivo • Introducir los conceptos metrológicos relacionados con la magnitud de presión

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Presión, ¿Dónde se mide y por qué?

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Presión, ¿Dónde se mide y por qué?

• Salud

• Aviación

• Energía

• Industria en general

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Definición

• Presión es igual a fuerza entre unidad de área

P = F/A

• En un fluido la presión es igual a:

P = ρ*g*h

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Unidades

• En el sistema internacional la unidad de presión es el pascal (Pa)

Pa = N/m²

• Sin embargo, existen muchas otras unidades:

bar = 100 kPa

psi = 6,895 kPa

mmHg = 0,133 kPa

inH₂O = 0,249 kPa

Kg/cm² = 98,066 kPa

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La presión depende de la referencia

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Cero absoluto

Presión absoluta

Presión negativa (vacío)

Presión atmosférica (cero relativo)

Presión B

Presión A

Presión diferencial Presión

positiva

Trazabilidad

• Presión es una magnitud derivada

• Trazabilidad a traves del kilogramo (masa) y el metro (dimensional)

• Además la aceleración de la gravedad que incluye el tiempo

• Dependiendo de la realización de la magnitud pueden influir otras variables

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Patrones e instrumentos de medición

• Patrónes primarios

• Balanzas de presión primarias, columnas de liquido

• Patrones secundarios o de trabajo

• Balanzas de presión industriales, Transductores

• Instrumentos de medición

• Manómetros, transductores

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Balanzas de presión

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• Utiliza la definición F/A para determinar una presión

• Rango de trabajo desde 10 kPa hasta 500 Mpa

• Fluidos de trabajo (típicos): nitrógeno, aceite

Masa (discos)

Área (pistón-cilindro)

Presión del fluido

Balanzas de presión

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𝑃 = 𝑚𝑖𝑔 ∙ 1 −

𝜌𝑎𝜌𝑚

𝑛𝑖=1 + 𝛾. 𝐶

𝐴0 ∙ 1 + 𝛼 ∙ 𝑡 − 20 ∙ 1 + λ ∙ 𝑃𝑛

Ensamble pistón-cilindro de balanza neumática secundaria

Balanza neumática primaria

Columnas de líquido

• Utiliza la definición de presión dentro de un fluido P = ρ*g*h

• Rango desde 1 mPa hasta 360 kPa

• Fluido típico: mercurio

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Columnas de líquido

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• Alta exactitud

• Difíciles de operar

• Costosas (construcción y mantenimiento)

• No es practica para la mayoría de laboratorios

Patrones de trabajo

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• Transductores y manómetros

• Ventajas • Fáciles de operar • Relativamente económicos • Existen en muchos rangos, en modo relativo,

absolutos y diferenciales.

• Desventajas • Exactitud menor que la de una balanza

• Derivan con respecto al tiempo

Tipos de manómetros

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Manómetro tipo bourdon

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Clasificación de manómetros

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Clasificación de manómetros

• Existen diferentes guías y recomendaciones para identificar manómetros

• Se suelen clasificar según su clase de exactitud, la cual se expresa como un porcentaje de su escala total

• Ejemplo:

Si se tiene un manómetro con una exactitud de 0,1% de la escala total y su escala es de 1000 kPa, su exactitud es de 1kPa

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Clasificación de manómetros

Clase de exactitud (% de la escala total)

Número mínimo de puntos de calibración

0,06 / 0,1 / 0,16 / 0,2 / 0,25 / 0,4 / 0,5 / 0,6

8

1 / 1,6 / 2 / 2,5 5

4 / 5 3

OIML R-101 y R109

Fuente: recomendaciones de la OIML R-109 y R-101 19

Clasificación de manómetros

Clase de exactitud

Error permisible (% de la escala total)

Primer cuarto de escala

Mitad de la escala

Último cuarto de la escala

4A 0,1 3A 0,25

2A 0,5

1A 1,0

A 2,0 1,0 3,0

B 3,0 2,0 3,0

C 4,0 3,0 4,0

D 5,0 5,0 5,0

ASME B40.100

Fuente: norma ASME B40.100 20

Calibración de manómetros

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Calibración de un manómetro

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• Existen diferentes métodos

• La gran mayoría se basan en una comparación directa entre el patrón y el instrumento a calibrar

• El patrón va a depender del nivel de exactitud

• El fluido utilizado en la calibración depende del uso del instrumento a calibrar y su presión máxima

Calibración de un manómetro

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• Operaciones previas a una calibración:

• Inspección visual

• Se verifica que no hallan daños en los elementos del manómetro

• Limpieza del manómetro

• Las marcas se leen con facilidad

• Inspección del funcionamiento • Prueba de fugas en el sistema

• Suministro de energía

Calibración de un manómetro

• Para realizar una calibración, las condiciones ambientales deben de mantenerse estables.

• Se recomienda que la temperatura se encuentre aproximadamente en 20 °C ± 1 °C (ASME B40.100)

• Si la densidad del aire influye en el procedimiento, la humedad relativa y la presión atmosférica también se tiene que anotar

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Calibración de acuerdo con la DKD-R 6-1

Secuencia de calibración

Incertidumbre de medición

esperada (% de la escala total)

Número mínimo de puntos de calibración

A < 0,1 9

B 0,1 … 0,6 9

C > 0,6 5

DKD-R 6-1

Fuente: guía DKD-R 6-1 25

Calibración de acuerdo con la DKD-R 6-1

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Secuencia A

Secuencia B

Secuencia C

Calibración de acuerdo con ASME B40.100

Secuencia de calibración

Número mínimo de puntos de calibración

4A 10

3A, 2A, 1A, A 5

B, C, D 3

ASME B40.100

Fuente: norma ASME B40.100 27

Ejemplo

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Calibración de manómetros

• Donde:

C es la corrección del instrumento bajo calibración

Pp es la presión del patrón

Pibc es la presión del instrumento bajo calibración

ρ es la densidad del fluido utilizado (Recomendación del BIPM)

g es la aceleración de la gravedad local (Boletín OIML – N° 127 1992)

Δh es la diferencia de alturas entre el patrón y el instrumento bajo calibración

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𝐶 = 𝑃𝑝 − 𝑃𝑖𝑏𝑐 + 𝜌. 𝑔. ∆ℎ

Estimación de incertidumbres

• Incertidumbres típicas del instrumento bajo calibración

• Incertidumbre por resolución

• Incertidumbre por repetibilidad

• Incertidumbre por histéresis

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Estimación de incertidumbres

• Resolución

Mínima diferencia entre indicaciones visualizadas, que puede percibirse de forma significativa

31

Estimación de incertidumbres

• Repetibilidad

Condición de medición, dentro de un conjunto de condiciones que incluye diferentes lugares, operadores, sistemas de medida y mediciones repetidas de los mismos objetos u objetos similares

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• Histéresis :

Es la diferencia entre la presión medida en ascenso y en descenso para un mismo punto de calibración en un mismo ciclo

Estimación de Incertidumbres

33

-0.150

-0.100

-0.050

0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.000 2000.000 4000.000 6000.000 8000.000Co

rre

cció

n (

kPa)

Presión Nominal (kPa)

Primer ciclo

Segundo ciclo

• Ejemplo

Estimación de incertidumbres

• Deriva

Variación continua o incremental de una indicación a lo largo del tiempo, debida a variaciones de las características metrológicas de un instrumento de medida

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0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

0.0040

0.0045

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Erro

r (k

Pa)

Año de calibración

Errores

Reporte de resultados

35

Reporte de resultados

36

Presión del Patrón (kPa) Presión medida

(kPa) Corrección

(kPa) Incertidumbre

(kPa)

9,9772 9,973 0,0042 0,0014

29,9234 29,9195 0,0039 0,0016

49,8695 49,8656 0,0039 0,0022

69,8155 69,8117 0,0038 0,0025

89,7613 89,7581 0,0032 0,0031

109,7072 109,7049 0,0023 0,0031

129,6535 129,6514 0,0021 0,0034

149,5995 149,5982 0,0013 0,0046

169,5456 169,545 0,0006 0,0044

199,4648 199,4652 -0,0004 0,0045

Reporte de resultados

37 Fuente:

Corrección vs presión medida del transductor 0000

-0.001

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0 50 100 150 200 250

Co

rre

cció

n (

kPa)

Presión medida (kPa)

Reporte de resultados

38 Fuente:

Corrección vs presión medida del transductor 0000

y = -2E-05x + 0.005 R² = 0.9444

-0.001

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0 50 100 150 200 250

Co

rre

cció

n (

kPa)

Presión medida (kPa)

Laboratorio de presión LACOMET

39 Fuente:

• Trazabilidad CEM (España)

Hidraúlica hasta 160 MPa

Neumatica hasta 7000 kPa

Equipos de clientes

Transductores y controladores de

presión

Ensambles pistón-cilindro Budemberg 480HX

Ensamble pistón-cilindro DH CPB 6000

Ensambles pistón-cilindro DH PG7601

• Servicios

• Manómetros y transductores (relativos, absolutos y diferenciales)

• Barómetros

• Balanzas de peso muerto

• Vacuómetros

• Esfigmomanómetros

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Muchas gracias