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Calibración de Balanzas de Presión

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Contenido         

Objetivo Alcance Introducción Definiciones Prerrequisitos Resumen Condiciones ambientales y período de estabilización Patrones y equipos Equipo e implementos auxiliares

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Contenido     

Procedimiento Cálculo del área efectiva Incertidumbre del área efectiva Aproximación lineal del área efectiva Incertidumbre del área efectiva a presión nula

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Objetivo y alcance 1. Objetivo: Este documento describe la forma de calibrar balanzas de presión utilizando la técnica de flotación cruzada.

2. ALCANCE: Este procedimiento es aplicable para la calibración de balanzas de presión mediante la determinación del valor de área efectiva y el coeficiente de deformación del conjunto pistón-cilindro, utilizando el método de flotación cruzada.

Este procedimiento se utiliza para la calibración de balanzas de presión con exactitudes menores a 0,008% de la lectura, en los siguientes rangos:  0 a 110000 kPa con fluido aceite  0 a 70000 kPa con fluido agua  3 a 200 kPa en presión con fluido aire  -3 a -57 kPa en vacío con fluido aire

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4.1 Introducción El presente procedimiento describe la secuencia a ser aplicada a la calibración de balanzas de presión con rangos de 0 a 110000 kPa con fluido aceite, de 0 a 70000 kPa con fluido agua, de 3 a 200 kPa en presión con fluido aire y de 3 a 57 kPa en vacío con fluido aire, utilizando patrones de referencia y patrones de trabajo con sus respectivos Certificados de Calibración vigentes y disponibles.

La comparación entre los valores de presión medidos de la balanza a calibrar y el patrón utilizado se realiza mediante la técnica de flotación cruzada.

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4.2 Definiciones Balanza de presión (Balanza de pesos muertos) La balanza de pesos muertos es un instrumento que proporciona el método más confiable y exacto para medir presiones.

Su operación está basada en el principio de la definición de presión (P=F/A). Balancea pesos conocidos contra la fuerza producida por la acción de una presión desconocida en un pistón hidráulico de área conocida. Cuando estas fuerzas alcanzan equilibrio y balance, la fuerza generada por la presión desconocida iguala a la fuerza generada por el total de las pesas y el pistón, y de esta manera queda determinado el valor de la presión.

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4.2 Definiciones Balanza de presión (Balanza de pesos muertos) Este instrumento está diseñado para ser usado en la calibración de instrumentos que miden presión de muy alta exactitud

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4.2 Definiciones Balanza de presión (Balanza de pesos muertos)

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4.2 Definiciones Balanza de presión (Balanza de pesos muertos) Uno de los errores más comunes al calibrar en presión es no corregir por diferencia de altura entre el patrón y el calibrando.

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4.2 Definiciones

Flotación Cruzada Método de calibración para determinar el área efectiva del conjunto pistóncilindro por comparación con una segunda balanza calibrada [3, 4]

Área efectiva El área determinada para un conjunto pistón-cilindro dado, la cual es utilizada en la ecuación de conversión para el cálculo de la presión medida [3, 4] Ecuación de conversión Ecuación que relaciona la presión generada y las masas de las pesas utilizadas, tomando en cuenta otras magnitudes de influencia René Chanchay

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4.3 Prerrequisitos El manejo y manipulación de los patrones de presión y balanzas de los usuarios de este servicio deben seguir las directrices que se proporcionan en los instructivos.

Los patrones de presión deben tener en vigencia y disponibles sus certificados de calibración. Además deben estar en condiciones óptimas para su operación.

El operador debe tener experiencia en el manejo de balanzas de presión y masas, en las técnicas de calibración de instrumentos que miden presión y estar calificado.

Si se detectan condiciones no favorables para realizar la calibración tales como condiciones ambientales del laboratorio fuera de lo establecido, fugas en el sistema de conexiones patrón-instrumento o vibraciones se debe suspender la calibración hasta eliminar las condiciones desfavorables.

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4.4 Resumen La calibración se lleva a cabo mediante la comparación directa entre los valores de medición de la balanza patrón de referencia y los valores de la balanza calibrando siguiendo una secuencia de ascenso-descenso. El patrón de referencia se escoge según el medio (aceite, agua, aire) con el que trabaja la balanza a ser calibrada.

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5.1 Condiciones ambientales y período de estabilización TEMPERATURA: 20 °C ± 3 °C con una estabilidad de ± 0,5 °C por hora HUMEDAD RELATIVA: entre 40% a 60 % con una estabilidad de ± 2 % por hora La calibración debe ser realizada después de que se haya establecido el equilibrio térmico entre la balanza a calibrar y las condiciones ambientales del Laboratorio. La estabilización de la balanza tiene un período mínimo de doce horas.

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5.2 Patrones / Aparatos / Equipos PATRONES / APARATOS /

RANGO

MEDIO DE TRABAJO

Balanza de Presión

0 – 110 000 kPa

Aceite

Balanza de Presión

0 – 70 000 kPa

Agua

EQUIPOS

Balanza de Presión y Vacío

3 – 200 kPa y 3 – 57 kPa (vacío)

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Aire

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5.3 Equipos e implementos auxiliares •Guantes para el manejo de las masas de las balanzas de presión.

•Termómetro con una división de escala de al menos 0,1ºC para determinar la temperatura del aire.

•Barómetro con una división de escala de al menos 0,1 hPa. •Higrómetro con una división de escala de al menos 10% para determinar la humedad relativa.

•Herramientas y accesorios para asegurar una conexión hermética de los acoples en el sistema balanza patrónbalanza calibrando.

•Nivel de burbuja para garantizar la perpendicularidad del eje del conjunto pistón-cilindro.

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5.4 PROCEDIMIENTO  Se realiza la inspección visual la balanza a ser calibrada, la cual consiste en: – La revisión de la integridad física de la balanza a calibrar (rosca, ducto de presión, impurezas, corrosión).

 Cuando la balanza a calibrar es de funcionamiento con alimentación eléctrica o baterías: – Comprobar su funcionamiento eléctrico y en el caso de funcionamiento con baterías que estén cargadas o sean nuevas si son desechables.

– Funcionamiento correcto de los elementos de mando (ajuste de cero si dispone).

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5.4 PROCEDIMIENTO  Comprobar que la documentación necesaria para la calibración (datos técnicos, instrucciones para el uso, manual de usuario y/o procedimiento de uso y manejo) esté disponible.  Colocar las marcas de identificación en caso de que la balanza de presión y/o las masas de la balanza a calibrar no dispongan de identificación.

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5.4 PROCEDIMIENTO • Determinar el valor de masa de cada una de las pesas (incluyendo los elementos flotantes removibles y el pistón) de la balanza de presión a calibrar. Esto lo realiza utilizando técnicas de calibración de pesas en exactitudes F1 o mejor. Si la base flotante no puede ser determinada por pesaje, la correspondiente presión puede ser determinada de los resultados de las medidas de comparación de presión.

• Instalar los dispositivos fuera de las perturbaciones como la ventilación o vibraciones.

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5.4 PROCEDIMIENTO  Instalar la balanza a ser calibrada tan cerca al patrón como sea posible.  Utilizar un soporte horizontal rígido y verificar con un nivel de burbuja.  Minimizar la diferencia de alturas entre los niveles de referencia de la balanza a calibrar y el patrón.  Revisar la verticalidad de los pistones como lo recomienda el fabricante (utilice un nivel de burbuja en la parte superior del pistón para minimizar la inclinación).  Verificar la hermeticidad del sistema de calibración al 100% del alcance de medición de la balanza a calibrar.

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5.4 PROCEDIMIENTO  Seleccionar los puntos de medición y distribuirlos uniformemente en el rango de calibración. Realizar tres series de mediciones (ascendente-descendente-ascendente) para cada uno de los puntos de presión (mínimo seis). El primer punto debe ser el mínimo valor del rango de presión (valor indicado por el fabricante o mínimo valor correspondiente a un satisfactorio funcionamiento).

NOTA: Las balanzas de presión equipadas con un conjunto pistón-cilindro para rango alto y bajo (pistones removibles) deben ser calibradas para cada pistón. Utilizar procesos de calibración completa.

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5.4 PROCEDIMIENTO

5.4.1 Técnica de flotación cruzada •Utilizar el método de flotación cruzada para cada punto medido.

•Registrar los datos de condiciones ambientales por cada punto medido.

•Localizar las pesas en la balanza a calibrar de modo que las masas correspondan a un punto fijo de presión.

•Ajustar la presión para equilibrar la balanza bajo calibración •Realizar la corrección utilizando pequeñas pesas sobre la balanza patrón hasta que se encuentre la condición de equilibrio de ambas balanzas. Ambos pistones deben rotar durante la calibración y se debe tomar en cuenta la influencia de la rotación en sentido horario o anti horario •Registrar los datos en el formato respectivo René Chanchay

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5.5 Cálculos 5.5.1 Área Efectiva El área efectiva de una balanza de presión a ser calibrada por medio de una balanza patrón (flotación cruzada) se calcula con la siguiente expresión:  a  i mi g 1     Vg  (  f  a )  C m   ; j=1…r APj  Pj  1  (   )  (t  20) k

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5.5 Cálculos 5.5.1 Área Efectiva 𝐴𝑃𝑗 área efectiva de la balanza a calibrar a la presión P (r número de puntos de presión) 𝑃𝑗 presión de referencia 𝑚𝑖 masa de las pesas de la balanza a calibrar (k número de masas utilizadas) 𝑔 gravedad local 𝜌𝑎 densidad del aire 𝜌𝑚 densidad de las masas de la balanza a calibrar 𝜌𝑓 densidad del fluido utilizado en la calibración 𝑉 volumen sumergido del pistón de la balanza a calibrar 𝛾 tensión superficial del fluido utilizado 𝐶 longitud de la circunferencia del conjunto pistón-cilindro 𝛼 coeficiente de dilatación térmica del pistón 𝛽 coeficiente de dilatación térmica del cilindro 𝑡 temperatura del conjunto pistón-cilindro

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5.5 CĂĄlculos 5.5.2 CĂĄlculo de la incertidumbre del ĂĄrea efectiva La incertidumbre combinada del ĂĄrea efectiva se la obtiene a partir de la evaluaciĂłn de las incertidumbres individuales de las magnitudes medidas y aquellas magnitudes predeterminadas usadas para calcular el resultado de la mediciĂłn. La ecuaciĂłn utilizada es la siguiente: 2 2 2 2 2 2 2 2 uc Ap  cP2 u P2  cM2 uM2  cg2u g2  cď ˛2a u ď ˛2a  cď ˛2m u ď ˛2m  cď ˛2 f u ď ˛2 f  cV2 uV2  cď §2uď §2  ccircunf .ucircunf .  cď Ą uď Ą  cď ˘ u ď ˘  ct ut

đ?‘ˆ = 2đ?‘˘đ??śđ??´đ?‘?

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5.5 Cálculos Magnitud Presión de referencia

Masa de las pesas

Gravedad

Densidad del aire

Coeficiente de sensibilidad

A cP   p P

cM 

Ap  a  m i i 1    m  

cg  c a  

Ap g Ap m  a

Incertidumbres de las magnitudes de influencia

uP 

UP 2

U mi uM   2 i

ug 

Ug 2

U u a   a 2 René Chanchay

Observaciones La incertidumbre se obtiene del certificado de calibración de la balanza patrón.

La incertidumbre de la masa total corregida M es tomada como la suma aritmética de las incertidumbres de las masas Um (certificado de calibración de masas) debido a que estas pueden ser consideradas como correlacionadas.

La incertidumbre se obtiene de la medición de la gravedad.

La incertidumbre se obtiene siguiendo el procedimiento respectivo.

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5.5 Cálculos Magnitud Densidad de las masas

Densidad del fluido

Volumen sumergido

Coeficiente de sensibilidad

c m 

Ap  a

m 2

Vg c f   P g (  f  a ) cV   P

C P

Tensión superficial

c 

Longitud de la circunferencia del conjunto pistóncilindro

ccircunf . 

 P

Incertidumbres de las magnitudes de influencia

um

U m  2

u f 

Uf 2

UV 2 U u  2 uV 

ucircunf .

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U circunf .  2

Observaciones La incertidumbre se obtiene del certificado de calibración de las masas de las pesas.

La incertidumbre se obtiene del fabricante o de manuales.

La incertidumbre se obtiene de la medición del volumen sumergido.

La incertidumbre se obtiene del fabricante o de manuales.

La incertidumbre se asume igual a la resolución del instrumento utilizado en la medición del diámetro multiplicado por 2π.

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5.5 Cálculos Magnitud Coeficiente de dilatación térmica del pistón Coeficiente de dilatación térmica del cilindro

Coeficiente de sensibilidad

Incertidumbres de las magnitudes de influencia

Observaciones

c   AP (t  20)

U u   2

La incertidumbre se obtiene del fabricante o de manuales.

c   AP (t  20)

U u   2

La incertidumbre se obtiene del fabricante o de manuales.

Incluye las incertidumbres*:

U certif . (certificado) 2 resolución 2 (resolución)

ucal  Temperatura del pistón y del cilindro

ct   AP (   )

2 2 2 2 ut  ucal .  ures.  ut  uCN

u res. 

ut 

12

(t f  ti ) 2 12

(gradiente

de temperatura)

uCN 

CN 2 3

(corrección

no realizada) René Chanchay

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5.5 Cálculos Balanza Patrón

Balanza a calibrar

Presión de Referencia Pj

Masas de la balanza Mj

Área efectiva del pistón Aj

Incertidumbre del área efectiva UAj

P1

M1

A1

U1

P2

M2

A2

U2

…….

……

……

..…

Pj

Mj

Aj

Uj

……..

…….

…….

…….

PN

MN

AN

UN

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5.5 Cálculos 5.5.3 Aproximación lineal de área efectiva La calibración permite obtener los valores del área efectiva de la balanza a calibrar en función de los valores de presión de referencia, siendo el área efectiva una función lineal de la presión. Esta relación se expresa mediante la ecuación:

AP  Ao  (1  Pn ) Donde:

Ao

 Pn

Área de referencia. Es el área efectiva del pistón-cilindro a calibrar a presión nula y temperatura de referencia.

Coeficiente de deformación con la presión del conjunto pistóncilindro a calibrar.

Presión nominal René Chanchay

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5.5 Cálculos 5.5.3 Aproximación lineal de área efectiva

Aj  f Pj  Aj  Ao 1    Pj  Donde: Aj A0  P

= Área efectiva a la presión Pj =Área efectiva del pistón a la presión cero = Coeficiente de deformación del sistema pistón-cilindro =Presión Nominal René Chanchay

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5.5 Cálculos 5.5.3 Aproximación lineal de área efectiva

P1  A1 ; U1 P2  A2 ; U 2 ...........

Pj  A j ; U j ...........

PN  AN ; U N

AN

v

Aj

A2 A1

P1

P2

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Pj

PN

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5.5 Cálculos 5.5.3 Aproximación lineal de área efectiva AN

v

Aj A2 A1

P1

P2

Pj

PN

A  a b P René Chanchay

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5.5 Cálculos 5.5.3 Aproximación lineal de área efectiva

A  P *C  AP1  A  P A 2  ...     APr 

1 1 P   1

P1  P2    Pr 

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a  C  b 

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5.5 Cálculos 5.5.3 Aproximación lineal de área efectiva

U A2P1 0  2  0 U AP 2         0  

  0    0 U A2Pr 1 

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0

      2  U APr  0 0  0

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5.5 CĂĄlculos 5.5.4 Ă rea efectiva a presiĂłn nula



1



1

CGM  P ď † P Pt ď † 1A t

đ?‘Ž = đ??´0 = đ??śđ??şđ?‘€ đ?‘? = đ??śđ??şđ?‘€

11

21

đ?‘? đ?‘? đ?œ†= = đ?‘Ž đ??´0 RenĂŠ Chanchay

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5.5 CĂĄlculos 5.5.5 Incertidumbre del ĂĄrea efectiva a presiĂłn nula

ď ›ď€¨

1



1

1

ď ? ď ›ď€¨

1



1

cov(CGM )  P ď † P P ď † ď † P ď † P P ď † t

t

đ?‘ˆđ?‘Ž = đ?‘?đ?‘œđ?‘Ł đ??śđ??şđ?‘€

RenĂŠ Chanchay

t

t

1

ď ?

t

11

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5.5 CĂĄlculos 5.5.5 Incertidumbre del ĂĄrea efectiva a presiĂłn nula Considerando el ajuste de la curva, la incertidumbre đ??´0 viene a ser:

U Ao  U U 2 a

2 ajuste

Donde:

ďƒĽ A r

U ajuste  2 ďƒ— sAPj  APj

s APj  APj 

RenĂŠ Chanchay

 pj  Apj 

2

j

n2

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GRACIAS POR SU ATENCIÓN

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