Fecha de recepción 31/10/2023
Fecha de aceptación: 10/01/2024
Pp 1 Pp. 13
ARK: https://n2t.net/ark:/87558/tekhne.27.1.1
Desarrollo de un Banco de Instrumentos de Medición de Presión
José Barriola
1
, Sergio Rosales
2
, Miguel Pérez
3
jbarriola@unimet.edu.ve
1
, srosales@unimet.edu.ve
2
, mperez@unimet.edu.ve
3
https://orcid.org/0009-0001-6214-98508538
1
, https://orcid.org/0000-0002-2675-421X
2
, https://orcid.org/0000-0002-8237-8538
3
Universidad Metropolitana
123
, Caracas, Venezuela
Departamento de Energía y Automatización, Facultad de Ingeniería
123
Resumen
Con el propósito de revitalizar y mejorar los equipos de calibración utilizados para medir la presión en la
Universidad Metropolitana, Caracas-Venezuela, UNIMET (que incluyen un calibrador de manómetros basado
en pesos y otro para la calibración de transmisores de presión mediante inyección de aire), se emprendió un
proceso que abarcó varias etapas esenciales. En primer lugar, se llevó a cabo una evaluación exhaustiva de
las condiciones de estos equipos, ya que no estaban operativos. A continuación, se realizó un estudio teórico
detallado de su funcionamiento. Posteriormente, se procedió al rediseño del calibrador por peso con el
objetivo de mejorar su funcionamiento y dotarlo de nuevas capacidades electrónicas. Este rediseño incluyó la
incorporación de un sensor de presión, un microcontrolador y una pantalla de matriz LED para facilitar la
visualización de las lecturas de presión. Los componentes necesarios para ambas unidades de calibración se
seleccionaron cuidadosamente y se ensamblaron siguiendo las pautas de las normas ASME. Además, se
desarrolló una simulación en MATLAB® APP DESIGNER para evaluar el rendimiento del calibrador por peso,
lo que también contribuirá a su utilidad educativa. Se comparó el funcionamiento de ambos equipos para
asegurar su correcto desempeño. Como resultado de este trabajo, ambos equipos se integraron con éxito en
el banco de calibración de presión. El nuevo diseño del calibrador por peso presenta una parte electrónica
que muestra la presión en pantallas LED con una precisión de ±0,7 psi y una mejora en el control del fluido.
Además, el manómetro patrón del equipo tiene un margen de error del 7%. El equipo de calibración de
transmisores, destinado a la calibración mediante inyección de aire, es capaz de manejar presiones en el
rango de 0 a 1030 mbar y alimentar transmisores que operen con 24 voltios. Estas mejoras aseguran
mediciones precisas y confiables de la presión en la UNIMET.
Palabras Clave: calibración, manómetros, MATLAB®, transmisores, sensores.
Desarrollo de un Banco de Instrumentos de Medición de Presión
JOSÉ BARRIOLA, SERGIO ROSALES, MIGUEL PÉREZ
2
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons CC BY-NC-SA 3.0 y pueden ser reproducidos para
cualquier uso no-comercial otorgando el reconocimiento respectivo al autor.
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Revista TEKHNÉ Nº 27.1
Semestre septiembre-enero 2024
ISSN electrónico: 2790-5195
ISSN: 1316-3930
Development of a Pressure Measurement Instrument Bank
Abstract
With the aim of revitalizing and enhancing the calibration equipment used for pressure measurement at the
Universidad Metropolitana, Caracas-Venezuela (UNIMET), a comprehensive process was undertaken. This
process encompassed several pivotal stages. Initially, a thorough evaluation of the conditions of these
instruments was conducted, as they were not operational. Subsequently, a detailed theoretical study of their
operation was carried out. Following this, the pressure calibration equipment underwent a redesign process to
improve its functionality and introduce new electronic capabilities. This redesign included the integration of a
pressure sensor, a microcontroller, and a LED matrix display to facilitate the visualization of pressure
readings. The necessary components for both calibration units were meticulously selected and assembled in
accordance with the ASME standards. Additionally, a simulation using MATLAB® APP DESIGNER was
developed to assess the performance of the pressure calibration unit, enhancing its educational utility. A
comparative analysis of the operation of both units was performed to ensure their proper functioning. As a
result of these efforts, both units were successfully integrated into the pressure calibration bench. The
redesigned pressure calibration unit boasts an electronic component that displays pressure readings on LED
screens with an accuracy of ±0.7 psi, along with improved fluid control. Furthermore, the unit's standard
pressure gauge exhibits a margin of error of 7%. The transmitter calibration equipment, designed for
calibration via air injection, can handle pressures ranging from 0 to 1030 mbar and power transmitters
operating on 24 volts. These enhancements guarantee precise and reliable pressure measurements at
UNIMET.
Keywords:
calibration, pressure gauges, MATLAB®, transmitters, sensors.
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JOSÉ BARRIOLA, SERGIO ROSALES, MIGUEL PÉREZ
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Desenvolvimento de um Banco de Instrumentos de Medição de Pressão
Resumo
Com o objetivo de revitalizar e melhorar os equipamentos de calibração utilizados para medir a pressão na
Universidade Metropolitana, Caracas-Venezuela, UNIMET (que incluem um calibrador de manômetros
baseado em pesos e outro para a calibração de transmissores de pressão por injeção de ar), foi empreendido
um processo que abrangeu várias etapas essenciais. Em primeiro lugar, foi realizada uma avaliação
exaustiva das condições desses equipamentos, pois eles não estavam operacionais. Em seguida, foi
realizado um estudo teórico detalhado de seu funcionamento. Posteriormente, procedeu-se ao redesenho do
calibrador por peso com o objetivo de melhorar seu funcionamento e dotá-lo de novas capacidades
eletrônicas. Este redesenho incluiu a incorporação de um sensor de pressão, um microcontrolador e uma tela
de matriz LED para facilitar a visualização das leituras de pressão. Os componentes necessários para ambas
ases unidades de calibração foram cuidadosamente selecionados e montados seguindo as diretrizes das
normas ASME. Além disso, foi desenvolvida uma simulação em MATLAB® APP DESIGNER para avaliar o
desempenho do calibrador por peso, o que também contribuirá para sua utilidade educacional. O
funcionamento de ambos os equipamentos foi comparado para garantir seu desempenho correto. Como
resultado deste trabalho, ambos os equipamentos foram integrados com sucesso no banco de calibração de
pressão. O novo design do calibrador por peso apresenta uma parte eletrônica que exibe a pressão em telas
LED com precisão de ±0,7 psi e uma melhoria no controle do fluido. Além disso, o manômetro padrão do
equipamento tem uma margem de erro de 7%. O equipamento de calibração de transmissores, destinado à
calibração por injeção de ar, é capaz de lidar com pressões na faixa de 0 a 1030 mbar e alimentar
transmissores que operem com 24 volts. Essas melhorias garantem medições precisas e confiáveis da
pressão na UNIMET.
Palavras-chave: calibração, manômetros, MATLAB®, transmissores, sensores.
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JOSÉ BARRIOLA, SERGIO ROSALES, MIGUEL PÉREZ
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Introducción
En todos los procesos industriales de producción
es de suma importancia controlar las magnitudes
que se manejan; los instrumentos de medición
permiten el mantenimiento y regulación de estas
variables en condiciones deseadas [1], [2], [3]. Sin
embargo, estos instrumentos deben calibrarse en
vista que sus resultados generalmente no son
estables con el tiempo. La calibración consiste en
comparar la salida del instrumento o sensor en
prueba con la salida de un instrumento de
precisión conocida cuando se aplica la misma
entrada a ambos instrumentos. Este
procedimiento se realiza a través de una serie de
entradas que abarcan todo el espectro de
medición del instrumento o sensor. Los
instrumentos que se utilizan como referencia en
los procedimientos de calibración suelen tener
una precisión inherente superior a la de los
instrumentos de proceso que se calibran. Como
estos instrumentos se utilizan exclusivamente
para la calibración, es posible alcanzar una mayor
precisión seleccionando un tipo de instrumento
que no sería adecuado para las mediciones
normales del proceso. Factores como el desgaste
mecánico, el deterioro, el polvo, los productos
químicos y las variaciones de temperatura en el
entorno operativo pueden provocar cambios en
las características del instrumento [4], [5], [6], [7],
[3].
La medición precisa de la presión es fundamental
en una amplia gama de aplicaciones científicas e
industriales [8], [6]. En este contexto, la
Universidad Metropolitana (UNIMET) identificó la
necesidad de mejorar y reacondicionar sus
equipos de calibración de instrumentos de
medición de presión para garantizar mediciones
confiables y precisas en sus laboratorios. Este
artículo presenta el proceso de desarrollo y
mejora de un banco de instrumentos de medición
de presión en la UNIMET, con un enfoque en la
reincorporación y optimización de dos equipos
clave: uno para la calibración de manómetros por
peso y otro para la calibración de transmisores de
presión por inyección de aire.
La motivación detrás de este proyecto radica en
la importancia de contar con equipos de
calibración precisos y confiables para garantizar
mediciones exactas en diversos campos, desde la
industria manufacturera hasta la investigación
científica. Dado que los equipos existentes en la
UNIMET no estaban operativos, se llevó a cabo
una evaluación exhaustiva de sus condiciones y
se emprendió un estudio teórico profundo de su
funcionamiento. Este análisis previo fue esencial
para guiar el proceso de rediseño y mejora de
estos instrumentos.
El trabajo se centró en la incorporación de
componentes electrónicos avanzados a uno de
los equipos de calibración por peso, incluyendo
un sensor de presión, un microcontrolador y una
pantalla LED para facilitar la lectura de la presión.
Además, se realizaron selecciones cuidadosas de
componentes y se siguieron estándares como las
indicaciones de normas ASME para garantizar la
precisión y confiabilidad de los equipos [9].
Una contribución destacada de este proyecto es
la simulación desarrollada utilizando MATLAB®
APP DESIGNER [10], [11], [12], la cual permite
evaluar el funcionamiento del equipo de
calibración por peso de manera virtual. Esta
herramienta no solo facilita el proceso de
aprendizaje, sino que también sirve como una
valiosa herramienta de control de calidad.
Materiales y métodos
Según Hernández [13], “Los estudios explicativos
van más allá de la descripción de conceptos o
fenómenos o del establecimiento de relaciones
entre conceptos” La Presente investigación
corresponde a lo anterior ya que el proceso de
investigación va más allá de la simple descripción
de los fenómenos. [13].
Este estudio es una investigación aplicada que
utiliza conocimientos teóricos existentes para
generar soluciones prácticas a problemas
concretos, específicamente en el rediseño y
elaboración de un equipo, Álvarez [14] y Peña
[15].
El trabajo se realizó en las siguientes fases:
Fase I:
Se llevó a cabo una investigación para
comprender los principios subyacentes al
funcionamiento de los calibradores de presión por
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peso y su metodología de uso, además de
analizar el funcionamiento de los indicadores de
presión más comúnmente empleados.
Fase II:
El banco de calibración constó de dos equipos: un
calibrador por peso, destinado a manómetros tipo
Bourdon, y un calibrador de transmisores.
El equipo de calibración por peso fue desmontado
y sus componentes evaluados para determinar
qué elementos debían ser reemplazados y qué
modificaciones podrían ser implementadas. Se
llevaron a cabo entrevistas con quienes habían
trabajado previamente con el equipo para
comprender su funcionamiento inicial y detectar
áreas de posible mejora.
Un proceso similar se llevó a cabo para la sección
de presión del calibrador de transmisores.
Respecto a la parte electrónica, se realizó una
evaluación siguiendo las directrices
proporcionadas en el manual del fabricante de la
fuente de alimentación.
Fase III:
Con base en los hallazgos de las etapas
anteriores, se identificaron los componentes del
equipo de calibración por peso que no requerían
reemplazo, así como aquellos que necesitarían
ser sustituidos. En contraposición, se concluyó
que todas las conexiones en la sección de
presión del equipo de calibración de transmisores
requerían ser reemplazadas.
Fase IV:
En el proceso de rediseño del banco, se
efectuaron modificaciones y mejoras al sistema
de calibración por peso. Se crearon modelos CAD
para evaluar diversas propuestas que
incorporaran los nuevos componentes
electrónicos. Una vez definido un modelo, se
procedió a seleccionar los componentes
requeridos para su implementación y se
desarrolló un modelo CAD detallado que
mostraba cómo se integrarían estos componentes
electrónicos antes de su fabricación.
Fase V:
Ambos equipos fueron construidos siguiendo las
especificaciones previamente establecidas en las
fases anteriores del proyecto.
Posteriormente, se llevó a cabo una verificación
del funcionamiento del equipo de calibración de
transmisores una vez que se completó su
reparación. Para ello, se realizó una prueba de
voltaje en la sección electrónica que alimenta al
transmisor utilizando un voltímetro. Luego, se
procedió a conectar el instrumento al transmisor y
se realizó una prueba exhaustiva de
funcionamiento.
Fase VI:
Para la creación de la simulación, se requirió una
familiarización previa con la plataforma MATLAB®
con el fin de identificar las herramientas más
apropiadas para este propósito. Para lograrlo, se
siguieron una serie de cursos y tutoriales, la
mayoría de los cuales fueron proporcionados por
la propia empresa, con el objetivo de comprender
a fondo las capacidades de la plataforma.
Una vez seleccionadas las herramientas
adecuadas, se aplicaron los principios teóricos
establecidos en la fase inicial del proyecto para
desarrollar una simulación dinámica precisa.
Fase VII:
Tras la instalación del equipo en el laboratorio, se
llevaron a cabo pruebas experimentales con el fin
de verificar su correcto funcionamiento y recopilar
datos que posteriormente se compararon con los
resultados obtenidos en la simulación.
Resultados y discusión
Equipo de Calibración por peso muerto
El equipo se encontraba en mal estado y requería
una investigación sobre su disposición original en
colaboración con personas familiarizadas con él.
El equipo incluye un cilindro-pistón con dos
conexiones: una inferior que se conecta a
tuberías de cobre que dirigen el fluido a dos
manómetros, y una superior que sirve para
eliminar el fluido del pistón al cilindro. Las
tuberías también cuentan con dos válvulas de
purga que conducen a una bandeja de
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recolección de aceite. La manguera que
conectaba el pistón a los manómetros consistía
en un tubo de vidrio roto entre dos mangueras
desgastadas, y la conexión entre la manguera y
las tuberías de cobre no era adecuada. Se
realizaron mejoras para restaurar su funcionalidad.
Tras la limpieza y desmontaje de cada
componente, se identificaron los tipos de
conexiones siguiendo la guía "Roscas y
Conexiones finales" de Swagelok [16] Mediante el
proceso descrito en el marco teórico y utilizando
un Vernier y calibradores de paso, se determinó
que el equipo utilizaba roscas NPT 1/8 y UNF
5/16 para sus conexiones por compresión.
Además, se midió el diámetro del pistón con un
micrómetro de precisión de 0,01 mm, obteniendo
un resultado de 17,700 ± 0,005 mm.
El nuevo diseño buscaba la inclusión de un
sensor de presión y una mejora en el control del
flujo de aceite excedente, garantizando que todas
las nuevas mangueras y componentes fueran
compatibles con aceite hidráulico. Se crearon
modelos CAD tanto para el rediseño del equipo
completo como para la caja que albergaría los
nuevos componentes electrónicos (ver Figura 1)
Figura 1. Diseño CAD del equipo de calibración por
peso mediante SOLIDWORKS®
Se unieron las tres salidas de aceite (dos de
purga y la superior del cilindro) mediante nuevas
mangueras, utilizando conexiones de manguera
1/8 NPT en las salidas de las válvulas. Para la
toma inferior del cilindro se incorporó una nueva
manguera, colocando una conexión de manguera
adecuada en la salida de las tuberías de cobre.
Se seleccionó una manguera hidráulica SAE R1
con un diámetro nominal de 3/8" y una presión
máxima de 10,280 psi para asegurar su
resistencia a la presión del aceite.
Las conexiones NPT se unieron siguiendo las
recomendaciones de la norma ASME B1.2.1,
utilizando sellador compatible con aceite
hidráulico. Las uniones de compresión con roscas
UNF no requirieron sellador según las
indicaciones de Swagelok [16].
Se instaló una T de bronce de 1/8 NPT entre la
válvula de purga y uno de los manómetros para
incorporar un transductor de presión que se
conectaría a la caja de electrónica encargada de
mostrar las mediciones en las pantallas,
facilitando su lectura.
La nueva parte electrónica, esquematizada en la
figura 2, consta de un microprocesador Arduino
UNO ®, dos pantallas de matriz LED con 4
módulos MAX7219 de 8x8 píxeles y un sensor de
presión de 30 psi. Las pantallas se comunican
con el Arduino a través de SPI, utilizando
conexiones específicas para la alimentación y la
comunicación. El sensor de presión se conecta a
tierra, 5V y un pin analógico (A1), generando una
señal de 0.5 a 4.5 voltios. El sensor tiene una
incertidumbre de ±0.6 psi.
Figura 2. Microprocesador Arduino ® con conexiones
de pantallas y sensor de presión. Elaborado mediante
Fritzing®
El Arduino interpreta la señal del sensor para
mostrarla en las pantallas en psi y kPa,
considerando que los resultados del sensor son
inicialmente inestables, pero se estabilizan en
segundos. Se ha incorporado un retraso en el
encendido para mostrar valores estabilizados.
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El Arduino se alimenta con un cargador de 9V y
0.6A a través de un conector de 2.1mm de
diámetro, siguiendo las recomendaciones del
fabricante. Tanto el Arduino como las pantallas
están ubicados en una caja de ABS de 19cm x
11cm x 5.96cm. Para mejorar la visibilidad, se ha
colocado una lámina de acrílico rojo entre las
pantallas y la tapa. La pantalla superior muestra
los valores en psi, mientras que la inferior los
muestra en kPa. Los puertos de alimentación y
comunicación se sitúan en el lado izquierdo, y el
cable del sensor de presión sale por la parte
superior (ver Figura 3).
Figura 3. Caja de componentes electrónicos
Se optó utilizar aceite TURBOLUB® ISO 46 LT-3
fabricado por PDVSA como fluido de trabajo,
debido a su compatibilidad con el equipo y su
capacidad de reducir posibles fugas. También
contribuye a mantener el cilindro-pistón en
óptimas condiciones. En la figura 4 se puede ver
el estado final del equipo en las instalaciones de
la UNIMET.
Figura 4. Nuevo estado el equipo de calibración por
peso
Para utilizar el equipo, se siguen los siguientes
pasos: primero, se abren ambas válvulas de
purga, se retira el pistón del cilindro y se llena el
cilindro de aceite con precaución. Luego, se
cierran las válvulas de purga y se reintroduce el
pistón. Posteriormente, se abren y cierran
rápidamente las válvulas de purga para eliminar
burbujas de aire. Finalmente, se conecta la
electrónica al cargador. Se proporciona un
diagrama de funcionamiento para mayor claridad.
Figura 5. Diagrama de funcionamiento
La falta de purga adecuada provoca que el pistón
flote en un nivel más bajo o descienda más
rápidamente, reduciendo así la presión máxima
que puede alcanzar antes de tocar el fondo del
cilindro, donde la relación de presión deja de ser
precisa. Además, según Creus [2], las burbujas
de aire pueden actuar como un amortiguador que
afecta la medición del manómetro.
Siguiendo las pautas de Creus [2], para
desmontar los manómetros es necesario abrir las
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válvulas de purga y retirar el pistón del cilindro
antes de realizar el reemplazo de los manómetros.
De lo contrario, existe el riesgo de que el aceite
se derrame en el área de trabajo. Dado que las
tomas de los manómetros utilizan roscas NPT, es
crucial aplicar sellador en la rosca macho para
garantizar un sellado adecuado.
En la tabla 1 se muestra los resultados de
laboratorio después de realizar 3 mediciones de
cada uno de las masas disponibles y el pistón
(representado por “p” en la tabla), se muestra cual
es el valor de cada uno ellos y el carácter con el
que se le identifica en este trabajo.
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Tabla 1. Masas utilizadas, teniendo como gravedad en la UNIMET 9,77896
y sabiendo que el diámetro
del pistón es 0,0177 m.
En la siguiente tabla se muestra el promedio de
los errores de las lecturas de dos manómetros
utilizando un manómetro patrón, utilizando el
equipo construido. Para estas pruebas se tomó el
manómetro patrón y otros dos manómetros
genéricos de la UNIMET (llamados manómetro 1
y manómetro 2). El manómetro “patrón” tiene un
error promedio del 7%, entre la presión indicada y
la verdadera, esto motivado a los años de uso y
falta de mantenimiento. Los otros manómetros
tienen 25% de error para el primero y el segundo
de 9%
Tabla 2. Promedio de errores entre manómetros
Con respecto a la parte electrónica. El equipo se
refresca cada tres segundos y, usualmente, da
números diferentes que se encuentran dentro de
su rango de error. En promedio se determinó que
el equipo tiende a tener un error de 0,7 psi,
aproximado a lo expuesto por el fabricante.
La tabla 3 muestra el error entre el promedio de
las lecturas y el valor teórico utilizando el sensor
de presión.
Tabla 3. Resultados de la parte electrónica
Resultados de la Simulación
El objetivo era crear una simulación continua y
dinámica en MATLAB® para mejorar la práctica
de laboratorio relacionada con la calibración de
manómetros por peso. Se optó por iniciar la
simulación en la herramienta Simulink® de
MATLAB® debido a su eficiencia en el desarrollo
y la facilidad de realizar ajustes. En un principio,
se empleó la ecuación completa (ecuación (1)),
excluyendo el factor de corrección por diferencia
de altura.
La ecuación 1 que rige el comportamiento de la
presión de un DWT (Deadweight Testers,
Calibradores de Peso Muerto" o "Calibradores de
Peso Fijo" ) y tiene todas las correcciones
importantes según Bair [17] es:
(1)
Nombre
Masa
Nominal (gr)
1ra
Medición
(gr)
2da
Medición
(gr)
3ra
Medición
(gr)
Promedio
(gr)
Desviación
estándar
(gr)
Promedio en kg
1 1000 999,55 999,57 999,59 999,57 0,02 0,99957
2 1000 999,65 999,63 999,62 999,63 0,02 0,999633333
3 500 499,75 499,74 499,75 499,75 0,01 0,499746667
p 635,49 635,49 635,49 635,49 0 0,63549
Manómetro
Patrón (PSI)
7%
Manómetro 1
(PSI)
25%
Manómetro 2
(PSI)
9%
Promedio
Promedio
de lectura
(PSI)
Teorico
(PSI)
Error
(PSI)
P 3,35 3,662948 0,31
P,3 5,98 6,543474 0,56
P,1 8,47 9,424443 0,96
P,1,3 10,98 12,30497 1,33
P,1,2 14,85 15,1863 0,34
P,1,2,3 17,30 18,06683 0,77
Promedio
0,71
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Donde los componentes: Ae es área efectiva del
pistón a temperatura ambiente, mi masa de la
masa, Gl gravedad local, ρa densidad del aire que
rodea a las masas, ρmi densidad de las masas, Γ
tensión superficial, D diámetro del pistón, αp, αc
coeficientes de expansión térmica del pistón y el
cilindro respectivamente, "T" temperatura del
pistón, Tref temperatura de referencia del área
efectiva, ρf densidad del fluido de trabajo y h
diferencia de altura entre el equipo a calibrar y el
punto de presión del pistón, Olson and Driver [18].
Bair [17] explica que también se tiene el método
con una corrección parcial, que solo corrige la
gravedad y el cambio de temperatura, ecuación 2:
(2)
Donde Pnom es la presión nominal marcada en
los pesos y Gc la gravedad a la cual los pesos
fueron certificados. Adicionalmente, también se
cuenta con un tercer método donde no se realiza
ninguna corrección [17].
Sin embargo, se determinó que en efecto la
mayoría de las variables de entrada daban un
error pequeño cuando se utilizaban parámetros
parecidos a los que se utilizarían en la práctica en
físico.
El primer factor de corrección de la ecuación (1)
es:
que puede tener dos valores,
dependiendo si es plomo o acero. Para el primero:
= 0,99992 (3)
Para el segundo:
= 0,99988 (4)
El segundo de factor de corrección de la ecuación
(1) es . Entre más grande el diámetro,
mayor será el efecto de la tensión superficial
sobre la corrección.
Este factor se suma al productor de
(sin
factor de corrección porque ya se descartó en el
paso anterior), en vista que pi es una constante y
que la gravedad, comparada contra el diámetro y
la masa, no cambia significativamente en la
simulación, se procede a evaluar cómo tendría
que ser el diámetro con respecto a la masa para
hacer que este factor de corrección sea el 1% del
producto de la masa por la gravedad. Esto se
puede expresar como:
(5)
(6)
Tomando la gravedad internacional estándar y
tensión superficial del agua se tiene que:
= 0,42878*m (7)
Y para el aceite:
= 0,07280*m (8)
El factor de corrección sobre el área que se
puede ver en la ecuación (1), se puede reescribir
como
en vista que se
plantea que el material del cilindro y del pistón es
el mismo. Como se puede ver en la tabla 4, los
valores de las alfas son pequeños, por lo que este
factor se verá influenciado, principalmente, por el
delta de temperaturas. Suponiendo que las
condiciones provocan que el valor del área es el
99% del valor dado por la ecuación de área:
(9)
(10)
(11)
Para el caso del tungsteno se tiene que:
= 909,09
o
C (12)
Para el caso del acero se tiene que:
= 476,19
o
C (13)
Se decidió que el cilindro y el pistón fueran del
mismo material por simplicidad. Este factor
depende principalmente del delta de temperatura
que se tome. Para tener un factor de corrección
del 99% se necesitaría, aproximadamente, una
diferencia de temperatura de 476 para el acero
y de 909 para el tungsteno. Aun que se tenga
una gran diferencia entre ambos, ambas son
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diferencias muy grandes para tener un 1% de
impacto sobre el área.
Tabla 4. Valores de la simulación en Simulink®
Variable
Valor
Densidad del Plomo
11.300
Densidad del Acero
7.680
Densidad Ambiente
0,93
Coeficiente de Expansión
del Acero
10,5
Coeficiente de Expansión
del Tungsteno
5,5
Tensión superficial del
Agua
0,0728
Tensión superficial del
Aceite (SAE 30W)
0,035
Al reducir las variables la demanda computacional
de Simulink® justificó buscar otras herramientas.
Por esta razón se utilizó AppDesigner de
MATLAB® para crear la simulación. Ella ofrece:
una mejor interfaz (ver Figura 6) y la capacidad
de crear un ejecutable a fin de distribuir la
simulación a personas que no tengan la licencia
de MATLAB®, ya que sin ella pueden ejecutar la
simulación.
Figura 6. Interfaz de la Simulación Final, elaborada
mediante MATLAB®
El usuario ingresa variables como diámetro, masa,
gravedad local y el manómetro a calibrar, este
último con opciones predefinidas. Los valores de
gravedad se encuentran en un anexo. Usando la
masa y la gravedad, se calcula la fuerza, y con el
diámetro se determina el área del pistón. La
combinación de fuerza y área proporciona la
presión verdadera, que se muestra en psi en el
manómetro de referencia. La elección del
manómetro a calibrar determina el rango de error
del manómetro bajo prueba. Después de aplicar
este error a la medida verdadera, se muestra en
la parte del manómetro con error. Cada variable
tiene una pestaña con información adicional.
En la tabla 3 se puede ver que el comportamiento
del simulador con respecto a los valores teóricos.
Ambos son bastante aproximados, la diferencia
se debe al redondeo en el último decimal.
Para correr el ejecutable de la simulación, es
necesario descargar gratuitamente MATLAB®
Runtime versión R2020b (9.9), por haber sido
creado en MATLAB® R2020b. Luego se procede
a instalar el ejecutable de la simulación.
Conclusiones
Se han implementado mejoras significativas en el
banco de calibración de presión, incluyendo un
nuevo diseño del calibrador por peso y mejoras
en el equipo de calibración de transmisores.
El rediseño del calibrador por peso ha permitido la
incorporación de un indicador de presión digital
que muestra lecturas en una pantalla LED con un
error de ±0,7 psi, lo que mejora la precisión y
facilidad de lectura. Además, se ha logrado un
mejor control del aceite excedente.
El equipo de calibración de transmisores ha sido
restaurado y ahora puede alimentar transmisores
que operen con 24 voltios. También puede probar
transmisores en un rango de hasta 1030 mbar
(14,94 psi) utilizando una bomba de aire.
Ambos equipos cuentan con conexiones de
manguera que se ajustan a las normas ASME
B1.2.1 y las recomendaciones de Swagelok [16]
lo que garantiza la seguridad y eficiencia de las
conexiones.
Además, se ha desarrollado una simulación en
MATLAB® App Designer que considera las
variables más relevantes para el cálculo de la
presión por peso. Esta simulación puede ser
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distribuida a estudiantes como un ejecutable para
fortalecer su comprensión práctica.
Es importante señalar que el manómetro "patrón"
del equipo de calibración por peso presenta un
error del 7% en comparación con los resultados
de la simulación para el juego de pesas con el
que cuenta el equipo. Esto proporciona una
referencia para la precisión de las mediciones
realizadas.
Recomendaciones
En cuanto al mantenimiento del Equipo:
Registro de la Condición de la Manguera SAE R1:
Durante el primer año de uso, llevar un registro
para determinar la frecuencia de reemplazo
necesario.
Evitar Desmontaje Repetido de Uniones por
Compresión: Minimizar desmontajes innecesarios
para prolongar la vida útil de las conexiones.
Limpieza de Rosca de Manómetros: Antes y
después de su uso, limpiar las roscas de los
manómetros para evitar contaminación.
Mantenimiento del Fluido de Trabajo: Mantener el
fluido libre de impurezas para prevenir el
desgaste del cilindro-pistón.
En cuanto a la Selección de Equipamiento:
Juego de Masas Adecuado: Elegir un juego de
masas en forma de disco que permita una amplia
gama de presiones y protegerlo contra polvo y
elementos externos.
Manómetro Patrón: Considerar la adquisición de
un manómetro patrón con una incertidumbre
dentro del rango de interés y una apreciación
adecuada.
En cuanto a la Organización y Registro:
Sistema de Identificación de Manómetros:
Establecer un sistema de identificación para los
manómetros de la universidad para facilitar su
seguimiento.
Formato de Hoja de Calibración: Crear un formato
estándar de hoja de calibración para registrar los
manómetros probados por el equipo.
Agradecimientos
Este trabajo forma parte del proyecto de
investigación N°A-04-21-22 titulado: “Desarrollo
de un laboratorio de Instrumentación”. Decanato
de Investigación y Desarrollo Académico.
Universidad Metropolitana, Caracas-Venezuela.
Los autores agradecen a la Universidad
Metropolitana el financiamiento otorgado al
presente trabajo
Declaración de conflicto de intereses
Los autores que aparecen en el artículo declaran
que no existe ningún conflicto de intereses
potencial relacionado con él.
Referencias
[1] K. Cheatle, "Fundamentals of Test
Measurement Instrumentation." ISA--
Instrumentation, Systems, and Automation
Society, 2006.
[2] A. Creus, "Instrumentación Industrial" (8va ed.).
Alfaomega Grupo, 2010.
[3] A. S. Morris and R. Langari, "Chapter 5—
Calibration of measuring sensors and
instruments." En A. S. Morris & R. Langari (Eds.),
Measurement and Instrumentation (Third Edition)
(pp. 133-145). Academic Press.
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817141-
7.00005-0, 2021a.
[4] A. Brunelli, Calibration Handbook of Measuring
Instruments. ISA, 2017.
[5] W. C. Dunn, "Fundamentals of Industrial
Instrumentation and Process Control", 2e (PB).
McGraw Hill Professional, 2018.
[6] A. S. Morris and R. Langari, "Chapter 15—
Pressure measurement." En A. S. Morris & R.
Langari (Eds.), Measurement and Instrumentation
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Semestre septiembre-enero 2024
ISSN electrónico: 2790-5195
ISSN: 1316-3930
(Third Edition) (pp. 469-497). Academic Press.
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817141-
7.00015-3, 2021b.
[7] J. Riu, R. Boqué, A. Maroto, and F. X. Rius,
"Calibración de equipos de medida." Universidad
Rovira I Virgili. Recuperado el 30 de marzo de
2021 de:
http://www.quimica.urv.es/quimio/general/calibra.p
df, 2003.
[8] S. Basu and A. K. Debnath, "Chapter 4—
General Instruments." En S. Basu & A. K.
Debnath (Eds.), Power Plant Instrumentation and
Control Handbook (Second Edition) (pp. 251-320).
Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-
12-819504-8.00004-4, 2019.
[9] ASME, "Pipe Threads, General Purpose (Inch)
(ASME B1.20.1-2013)", 2013.
[10] N. H. Harun, H. A. Hambali, M.G. Hassan,
and K.N. Karim, "MATLAB APP Designer: Learn
By Example" (UUM Press). UUM Press, 2017.
[11] M. M. Pérez Hernández, "Desarrollo de
laboratorios virtuales en ingeniería con
participación de estudiantes de pregrado."
HUMAN REVIEW. International Humanities
Review / Revista Internacional de Humanidades,
15(3), Article 3.
https://doi.org/10.37467/revhuman.v11.4239,
2022.
[12] S. D. Rosales-Anzola and M. M. Pérez-
Hernández, "Aplicaciones para la enseñanza en
ingeniería." HUMAN REVIEW. International
Humanities Review / Revista Internacional de
Humanidades, 16(5), Article 5.
https://doi.org/10.37467/revhuman.v12.4688,
2023.
[13] R. Hernández, C. Fernández and P. Baptista,
Metodología de la Investigación (6ta ed.).
McGraw-Hill, 2014.
[14] R. A. Álvarez, "Clasificación de las
investigaciones." Universidad de Lima, Facultad
de Ciencias Empresariales y Económicas,
Carrera de Negocios Internacionales, 2020.
[15] J. Peña and D. Baptista, "Introducción a la
Metódica de la Investigación." Recuperado el 12
de enero de 2021 de:
https://www.youtube.com/watch?v=BtANwb9qrtQ
&t=3s, 2020.
[16] Swagelok, "Roscas y Conexiones finales."
Recuperado el 1 de abril de 2021 de:
https://www.swagelok.com/downloads/webcatalog
s/es/ms-13-77.pdf, 2014.
[17] M. Bair, "An Examination of the Uncertainty of
Industrial Deadweight Testers Used for
Pressure Calibrations in Different
Environments." NCSLI Measure: Journal of
Measurement Science, 8(3), 28–34, 2013.
[18] D. A. Olson and R. G. Driver, SIM Metrology
School: Pressure. NIST National Institute of
Standards and Technology. Recuperado el 21 de
enero de 2021 de:
https://www.nist.gov/system/files/documents/iaao/
SIM-Metrology-School-Pressure_Olson.pdf, 2013.
[19] M. Granados, "Arduino UNO más de 60
prácticas." Misael Granados, 2020.
