Conceptos Básicos de Metrología en Presión

Diciembre, 2014

Ing. Luis Urbino Badilla Rojas

OBJETIVO GENERAL

– Introducir los conceptos metrológicos relacionados con la magnitud

de presión.

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.

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/metro2 = 1 Pascal (1 N/m2 = 1 Pa)

–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.

GRÁFICO DE PRESIONES

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 = 106 Pa

Pa pascal 1 Pa = 1 N/m2

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.

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).

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.

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.

AJUSTE

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

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.

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.

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.

PATRÓN DE TRABAJO

Patrón que es utilizado rutinariamente para calibrar o comprobar medidas materializadas o materiales de referencia.

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

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.)

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.

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

Manómetro de líquido, U-Tube

Micro-manómetro

Manómetros interferométrico – NPL, UK

Manómetro interferométrico de mercurio, NPL, UK Gauge

Medidor de presión de pistón, Amagat circa 1893

Medidor de presión de pistón - Ruchholz 1882

Medidores de presión por deformación

MANÓMETRO Tubo de Bourdon

MANÓMETRO de Diafragma

Sistemas de Tuberías

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)

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)

Tubo de acero inoxidable: –Permite conexiones mejor selladas (ultra alto vacío)

–Soporta las mayores presiones 10 GPa (pero no las conexiones

flexibles que existen)

–Limpio, mayor versatilidad en conexiones (ya prediseñadas)

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)

Aspectos a considerar para seleccionar un

patrón

• Alcance

• Incertidumbre

Presión absoluta

Presión relativa

Presión positiva

Vacío

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

• 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.

–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)

Factores de influencia en la magnitud de

presión

Factores del modelo de medición

– gl: gravedad local

–Pn: presión nominal

–h: altura

– : densidad del fluido

–c: coeficiente (combinado del pistón y cilindro)

–tpistón-cilindro: temperatura

Otros:

–tamb: temperatura ambiente

–HR: humedad relativa

–Patm: presión atmosférica

– m (sólo para flotación cruzada)

–Paralaje

Valores típicos de incertidumbre de

patrones de referencia

Rango de presión Valores típicos de la

incertidumbre expandida U

en relación con el valor medido

10 9 mbar...10 6 mbar 10%...6%

10 6 mbar...10 2 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... 700 bar 0,008%

700 bar... 2 000 bar 0,012%

2000 bar...10 000 bar 0,07%

Procedimientos de calibración

Medio Neumático

(modo relativo)

Medio Hidráulico

(modo relativo)

1. Manómetro vs. Balanza de Presión

2. Manómetro vs. Manómetro

1. Manómetro vs. Balanza de Presión

2. Manómetro vs. Manómetro

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%.

Ecuación de balanza de presión en medio neumático

Ecuación de balanza de presión en medio hidraúlico

+𝜌𝑓𝑔𝑓∆ℎ

Ecuación de balanza de presión calibrada en presión

(cualquier medio)

𝑃 = 𝑃𝑚𝑎𝑠𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 ∙𝑔𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙

𝑔𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟∙ 1 − 𝛼 ∙ 𝑡0 − 𝑡 − 𝜌 ∙ 𝑔𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 ∙ ∆ℎ

𝑔𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 = 𝑔𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟 ∙ 1 + 𝑓∗ ∙ 𝑠𝑒𝑛2 𝜃 − 𝑓4 ∙ 𝑠𝑒𝑛2 2 ∙ 𝜃 − 3,086𝑥10−6 ∙ 𝐻

Ecuación de la gravedad local

Donde

𝑔𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟 = 9,806 65 𝑚𝑠2

𝑓∗ = 0,005 302 4

𝑓4 = 0,000 005 8

𝜃 = 𝑙𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑, 𝑒𝑛 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 (°)

𝐻 = 𝑎𝑙𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑟 (𝑚)

Ecuación general de una calibración

𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 𝐼𝑝𝑎𝑡𝑟ó𝑛 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 − 𝐼𝑐𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜

Cálculo de incertidumbre

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%)

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

calibración

–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