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Centro Nacional de Metrología (CENAM, México)
Resumen:Antes de utilizar una balanza de presión de alta exactitud es conveniente realizar la caracterización de su comportamiento (en el manejo y operación). Las componentes más importantes de una balanza de presión son el ensamble (o conjunto) pistón cilindro, la campana porta masas, la base y las masas. Aquí se presentan los ensayos que se recomienda realizar a las balanzas antes de su calibración y habilitación para su uso y se dan los resultados para un caso práctico.
Palabras clave:Metrología de presión, balanza de presión de alta exactitud, caracterización.
Abstract: It is recommended the characterization of a high accuracy pressure balance behaviour before using it (operational and handling). The most important parts of a pressure balance are the piston cylinder assembly, masses post, base and masses. Here, the recommended tests to be performed to the pressure balances before its use are presented as well as the results obtained for a practical case.
Keywords:Pressure metrology, high accuracy pressure balance, characterization.
1. Introducción
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, sin embargo existen algunos diseños a los cuales se les adapta una campana que se puede conectar a una línea de vacío y así poder medir presión absoluta. 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 compresor o bomba) y la presión generada por el peso de las masas sobre el área del pistón [1]. 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 la fricción entre el pistón y el cilindro así como 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.
El área sobre la que actúa la fuerza se llama área efectiva, la cual es el área del pistón más una parte del huelgo o separación entre el pistón y el cilindro.
Una ecuación general para calcular la presión con una balanza de presión es:
siendo:
P = presión,
mi= i-ésima masa,
N =número de masas utlizadas,
g = aceleración de la gravedad local,
ρa = densidad del aire local,
ρm = densidad de las masas de la balanza,
C = circunferencia del pistón,
γ = tensión superficial del fluido,
A0 = área efectiva a la temperatura de referencia y presión atmosférica,
αc=coeficiente de dilatación térmica del cilindro,
αp = coeficiente de dilatación térmica del pistón,
t = temperatura del pistón al momento de realizar la calibración,
tr= temperatura de referencia del pistón,b = coeficiente de deformación elástica del pistón,
pn = presión nominal.
2. Descripción de la balanza de presión
La balanza de presión caracterizada como ejemplo en este trabajo es una balanza de presión relativa hidráulica con ensamble pistón cilindro del tipo simple. Se conoce el área del pistón cilindro y el valor de las masas, por lo que es una balanza de presión de alta exactitud [2]. Las especificaciones de la balanza se encuentran contenidas en la tabla 1.
3. Montaje e instalación
Antes de realizar la caracterización se revisan las particularidades de montaje, instalación y mecánicas de la balanza de presión [3]. Estos detalles pueden incidir en errores que afecten a los resultados de las mediciones realizadas con la balanza [4]. A continuación se presentan los detalles más importantes a observar.
3.1. Limpieza del pistón
Previo a la instalación del ensamble (o conjunto) pistón cilindro se debe revisar su limpieza y, en términos generales, cuando sea necesario, limpiar el ensamble pistón cilindro.
En el caso particular de este ensamble la limpieza es fácil (se puede desatornillar). Se limpió antes de iniciar los trabajos de caracterización y al terminar se volvió a limpiar, observando que permaneció limpio (véase la figura 1), esto permite formarse una idea de cualquier suspendido o residuo en la balanza y/o ensamble pistón cilindro.
3.2. Instalación del pistón
Una vez limpio el ensamble pistón cilindro se instala en la balanza. Para el caso de la balanza utilizada la instalación del ensamble es fácil, mediante una tuerca que aprieta al cilindro y a la vez sirve de tope para evitar que se salga el pistón. Este mismo mecanismo de ensamble le da rigidez y sirve de seguro para evitar ruptura accidental del pistón (figura 1).
3.3. Purgado
Cuando el fluido manométrico utilizado es líquido, en este ejemplo es aceite, se debe asegurar que en la instalación no se queden burbujas de gas atrapadas en el líquido manométrico. Para lo cual se realiza un procedimiento de purgado del líquido manométrico. Para este tipo de balanza de presión, la primera fase del procedimiento de purgado es utilizando una válvula preinstalada en la base de la balanza, cercana a la manivela de presurización; el siguiente paso es dejar fluir un poco de aceite en el poste de montura del ensamble pistón cilindro (véase la figura 2).
3.4 Hermeticidad
Esta prueba consiste, básicamente, en revisar la existencia de fugas de aceite en la balanza. Se revisan conexiones externas, la base de la balanza, la manivela de presurización y la base del ensamble pistón cilindro buscando fuga del líquido manométrico. En caso de existir se deben eliminar (figura 2).
4. Ensayos operativos de caracterización
Una vez realizados los detalles y ajustes, en su caso, de montaje e instalación se pueden realizar ensayos de caracterización a nivel operativo de la balanza de presión. Estos ensayos permiten lograr la mejor exactitud de la balanza, al conocer el comportamiento de la balanza y poder minimizar errores y fuentes de incertidumbre [5, 6].
Se realizaron las siguientes pruebas operativas en la balanza (cuando menos 3 veces y observando el máximo valor): nivelación, excentricidad, medición del bamboleo o balanceo, estabilización del pistón cilindro, velocidad de rotación y tiempo de giro libre, velocidad de caída del pistón, umbral de movilidad, nivel de referencia del pistón y repetibilidad.
La figura 3 muestra la esquematización de los desplazamientos de la vertical de pistón y campana.
4.1. Nivelación
Para evitar la generación de fuerzas fuera del eje vertical principal de la balanza, se debe realizar la nivelación del pistón cilindro. Este procedimiento se realiza en cuando menos 3 puntos del intervalo de indicaciones de la balanza de presión; se recomiendan en presión mínima, al 50 % y en presión máxima. Para la nivelación de la balanza es muy práctico utilizar un nivel de burbuja móvil, se puede instalar en diferentes puntos, pero la mejor posición es en el tope del poste o ensamble pistón cilindro.
Si se desea realizar una mejor nivelación se emplea un nivel de alta exactitud colocado en el poste de montaje del ensamble pistón cilindro. La nivelación se realiza en forma inicial con la balanza descargada, se revisa la nivelación en el 50 % y al 100 % del intervalo de indicaciones, idealmente la nivelación permanecerá sin cambios. Para el caso que nos ocupa se utilizó un medidor de ángulo Helios de burbuja con división de 0.3 mm/m (equivalente a 0.02°), la desviación máxima fue de 4 divisiones (0.08°) lo que resulta en una disminución de la presión del orden de 9.1×10-7 relativo a la presión aplicada.
4.2 Excentricidad
La excentricidad o “cabeceo” del ensamble pistón cilindro se mide en todo el intervalo de indicaciones. Se hace girar el pistón con las masas y se mide el punto más bajo o más alto con respecto al nivel de flotación sin movimiento. Siendo normalmente el punto más crítico a 100 % del intervalo de indicaciones. La figura 3 presenta las mediciones realizadas en la balanza de este ejemplo.
4.3. Balanceo
El balanceo es la inclinación o movimiento asimétrico en el eje vertical del pistón (o de las masas). La balanza presenta cierto balanceo, se mide en todos los puntos de carga. Para la balanza de este ejemplo se observó que se mantenía constante para altas presiones, ver figura 4.
4.4. Estabilización del pistón cilindro
La estabilidad es con respecto a la flotación o movimiento oscilatorio vertical del pistón y de la campana de colocación de las masas. La estabilización cambia al cambiar las masas, ya sea incrementando o decrementando masas, pero si se hace con cuidado no debe presentar cambios en la flotación. La balanza en estudio tiene buena estabilidad durante todo el intervalo de indicaciones (no presenta oscilación en la flotación).
4.5. Velocidad de rotación y tiempo de giro libre
La velocidad de rotación es normalmente indicada por el fabricante, pero puede considerarse entre 20 y 25 ciclos por minuto. La balanza de este ensayo tiene una velocidad de rotación nominal de 22 ciclos/min en todo el intervalo de indicaciones. Los resultados se presentan en la figura 5.
Para conocer el tiempo de giro se hace girar el pistón a la velocidad de rotación nominal colocando diferentes masas (diferentes presiones) y se mide el tiempo que tarda en detenerse el pistón. Se recomienda realizar este ensayo en baja, media y alta presión al menos, el caso más crítico es a mínima presión La figura 6 muestra los diferentes tiempos encontrados para cada presión en la balanza estudiada.
4.6. Velocidad de caída del pistón
Para obtener la velocidad de caída del pistón, se aplican diferentes presiones y se mide la distancia que recorre el pistón, en el eje vertical, con respecto al tiempo. Es conveniente realizar este ensayo en baja, media y alta presión, aunque normalmente el caso más crítico es a máxima presión. La figura 7 presenta los resultados del ensayo con la balanza utilizada en este ejemplo.
4.7. Umbral de movilidad
El umbral de movilidad es la masa más pequeña que ocasiona movimiento vertical en el pistón durante una flotación (presión aplicada). Para realizar este ensayo se hace flotar el pistón y se le agrega una masa muy pequeña que no ocasione movimiento, se le va incrementando masas pequeñas poco a poco hasta obtener movimiento del pistón, la masa que ocasiona el movimiento se registra. Para el caso de la balanza de este ejemplo el umbral de movilidad fue de 10 mg.
4.8. Nivel de referencia del pistón
El nivel de referencia en las balanzas es una señal marcada (algunas ocasiones en un poste adicional) que indica en donde se encuentra la parte baja del pistón una vez instalado y flotando. Esto permite realizar las correcciones por presión hidrostática. Algunas balanzas no cuentan con una indicación del nivel de referencia, por lo que se debe medir la parte baja del pistón y establecer una referencia directamente el usuario.
4.9. Repetibilidad
El último ensayo que se lleva a cabo antes de la calibración consiste en evaluar la repetibilidad de las lecturas medidas por la balanza a diferentes presiones. La tabla 2 presenta los resultados obtenidos con la balanza utilizada.
5. Conclusiones y comentarios
La caracterización de las balanzas de presión es necesaria en los equipos que se utilizan como patrones del laboratorio y es recomendable en balanzas bajo calibración, especialmente cuando se desconoce su comportamiento.
Algunas ventajas de la caracterización:
- Los ensayos que se realizan en la balanza de presión ayudan a conocer el funcionamiento de la balanza y permiten su utilización en óptimas condiciones.
- Se pueden eliminar desviaciones en las mediciones debidas al uso inadecuado de la balanza.
- Se disminuye la incertidumbre debida a los factores de influencia que se caracterizan y optimizan.
- Los valores que se obtienen de la caracterización de la balanza, una vez incluidos en los procedimientos de calibración, eliminan diferencias entre operarios y/o metrólogos en la operación de la balanza.
Es importante notar que los aspectos tratados en este documento no son exhaustivos ni se describen a detalle. Se pretende estimular el desarrollo de estudios que incluyan instalación, operación, diseño mecánico, mejoras operativas, adicionalmente a las 5 Ms [7], R&r [8] y procesos contenidos en procedimientos de calibración que normalmente se deben llevar a cabo en los laboratorios de calibración. Para aplicaciones especiales, tales como ensayos de aptitud o comparaciones internacionales, se deben considerar otros factores a caracterizar como p. e. temperatura ambiente, humedad relativa, deriva, [9].
Bibliografía
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- Aranzolo Suárez J., Torres Guzmán J. C. Diseño Mecánico para el Aseguramiento de la Trazabilidad de las Mediciones de Presión. Congreso Nacional de Metrología, Normalización y Certificación. Monterrey, N. L., México. Octubre de 2003.
- Navarro A., Morales Aguillón C., Olvera P., Torres Guzmán J. C. Efectos de las Magnitudes de Influencia en Balanzas de Presión. XX Congreso Nacional de Metrología, Normalización y Certificación. Mérida, Yucatán, México. 2005.
- Torres Guzmán J. C., Aranzolo Suárez J. Caracterización de una balanza de presión relativa hidráulica de alta exactitud. I CIMMEC. Rio de Janeiro, Brasil. 2008.
- Torres Guzmán J. C., Verdejo Guerrero Y. C., Aranzolo Suárez J. Caracterización de una balanza de presión hidráulica tipo industrial con dos pistones (7 000 kPa y 70 000 kPa). Simposio de Metrología. Querétaro, México. 2010.
- Martínez Velázquez G., Torres Guzmán J. C. Diseño estadístico de confirmación metrológica con 5M´s. Simposio de Metrología. Querétaro, México. 2012.
- Torres Guzmán J. C., Corona Acosta R. C. Métodos estadísticos para metrología y confirmación metrológica (caso de estudio, presión). De la Metrología, volumen 5, no. 4. 2013.
- Zuñiga González S., Olvera P., Torres Guzmán J. C. Caracterización de un manómetro diferencial digital usado como patrón de transferencia a 3.5 kPa. Simposio de Metrología del CENAM. Querétaro, México. 2008.
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