UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

CALIBRACIÓN DE MANOMETRO DE BOURDON Y MEDICIÓN DE PRESIONES

I. Manómetros de peso muerto (calibración de manómetro de Bourdon)

Objetivos (Medición de flujos)

Aprender a calibrar manómetros usando el calibrador de peso muerto.

Fundamento Teórico

Este tipo de manómetros generalmente se utilizan como instrumentos de calibración para los manómetros de Bourdon y diafragma, que son los medidores de presión que requieren más frecuentes calibraciones.

Este calibrador de manómetro de peso muerto consta de un conjunto de pistón y cilindro, mecanizado con precisión, montado sobre tornillos niveladores.

Se suministra un manómetro Bourdon para la calibración.

Las pesas incluidas se añaden a la parte superior de la varilla del pistón, que se hace girar para minimizar los efectos de la fricción.

El manómetro se somete entonces a presiones conocidas, que pueden ser comparadas con las lecturas del manómetro para trazar curvas de error.

Funcionamiento

El equipo consiste en un sistema de vasos comunicantes que trabaja con aceite bajo el principio de pascal.

Sus partes principales son el embolo, el pistón, el sistema de cañerías. El equipo funciona de la siguiente forma. Con la llave de boca se ajusta el manómetro Bourdon al probador de manómetros de peso muerto, abriendo el grifo y atornillando el embolo, el aceite penetra en el manómetro, el pistón también esta comunicado al manómetro y al émbolo, por las cañerías, pero el pistón tiene movimiento libre, en consecuencia atornillando o destornillando el émbolo, el pistón sube o baja respectivamente.

El pistón solo, ejerce una presión de 5 psi. Encima del pistón se pueden colocar pesos que ejercen una presión de 5 psi, 10 psi, 20 psi y 100 psi.

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Combinando estos pesos podemos aumentar la presión en las variaciones deseadas.

Equipos:

Procedimientos

El procedimiento que seguimos fue el siguiente:

Primero se verifica el plano de trabajo nivelándolo con el indicador de burbuja, tratando que la burbuja se encuentre en el centro.

Después se purga el mecanismo, esto es pasar todo el aceite contenido a la válvula principal.

Las pesas se colocan en un cilindro hidráulico y con un juego de válvula (válvula principal) se regula de tal forma que la marca del cilindro quede en la marca de referencia, de esa forma la presión marcada por las pesas, se muestra en el manómetro (ver detalle en la figura 2).

Las pesas calibradas están determinadas en 5, 10, 20 y en 100 [Psi].

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Se colocan las pesas de presión equivalente de manera sucesiva para tomar los datos de presión ascendente.

Con los datos obtenidos, se realiza la comparación con la presiones patrón equivalentes en las pesas.

Datos Obtenidos

Toma de datos de presión ascendente:

Ítem Pesos (Psi)

Manómetro(kg/cm2)

Manómetro

(PSI)1 30 3.3 47.85992 40 4 58.0123 60 5.1 73.96534 100 8.1 117.4745 140 11 159.5336 180 13.7 198.6917 220 16.5 239.38 260 19.1 277.0079 300 22.5 326.318

10 340 24.3 352.42311 380 27.2 394.48212 420 30.02 435.3813 460 32 464.09614 500 34.9 506.155

Toma de datos de presión descendente:

Íte Pesos Manómetr

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m (Psi) o(Psi)

1 500 5202 440 4503 420 4254 380 3955 320 3356 280 2957 220 2408 160 1809 120 140

10 100 12060 60 8012 40 6013 20 40

Cálculos y Resultados

Con los datos obtenidos graficamos la tendencia del manómetro de Bourdon respecto a las presiones tomadas como patrón.

Grafica de la calibración ascendente:

0 2 4 6 8 10 12 14 160

100

200

300

400

500

600

f(x) = 37.3661029450549 x − 19.481832087912f(x) = 38.0879120879121 x − 40.6593406593407

CALIBRACION DEL MANOMETRO

Pesos (Psi)Linear (Pesos (Psi))Manómetro(PSI)Linear (Manómetro(PSI))

PSI D

EL M

ANO

MET

RO Y

CAL

IBRA

DOR

Grafica de la calibración descendente:

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0 2 4 6 8 10 12 140

100

200

300

400

500

600

f(x) = − 41.4285714285714 x + 542.307692307692

CALIBRACION DEL MANOMETRO

Pesos (Psi)Linear (Pesos (Psi))Manómetro (Psi)Linear (Manómetro (Psi))

PSI D

EL M

ANO

MET

RO Y

CAL

IBRA

DOR

Calculamos el error para cada punto medido.

Porcentaje de error promedio ascendente:

Ítem Pesos (psi)

Manómetro

(psi)

% de error

1 30 47.8599 59.5332 40 58.012 45.033 60 73.9653 23.27554 100 117.474 17.4745 140 159.533 13.952142

96 180 198.691 10.383888

97 220 239.3 8.7727272

78 260 277.007 6.5411538

59 300 326.318 8.7726666

710 340 352.423 3.6538235

311 380 394.482 3.8110526

312 420 435.38 3.6619047

6

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13 460 464.096 0.89043478

14 500 506.155 1.231promedio de error 14.784521

1

Porcentaje de error promedio descendente:

Ítem Pesos (Psi)

Manómetro

(Psi)

% de error

1 500 520 42 440 450 2.272727273 420 425 1.190476194 380 395 3.947368425 320 335 4.68756 280 295 5.357142867 220 240 9.090909098 160 180 12.59 120 140 16.6666667

10 100 120 2060 60 80 33.333333312 40 60 5013 20 40 100

promedio de error 20.2343172

Finalmente graficamos la curva de error del manómetro de Bourdon.

Grafica de porcentaje de error de la medición ascendente.

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0 2 4 6 8 10 12 14 160

10

20

30

40

50

60

70

GRAFICA DEL PORCENTAJE DE ERROR

Grafica de porcentaje de error de la medición descendente.

0 2 4 6 8 10 12 140

20

40

60

80

100

120

GRAFICA DEL PORCENTAJE DE ERROR

Observaciones

Cuando las medidas de presión son pequeñas el error es mucho más grande comparado con las medidas de presión grande.

Se observa que la medición de error en los primeros puntos son dispersados, luego todo tiende a un solo valor, mientras que en la segunda grafica los últimos puntos de la tienden a un error constante, luego el error asciende.

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Conclusiones:

De manera general podemos ver que el manómetro tiene un error promedio de 17.408%.

II. Manómetros de columna líquida

Objetivo:

Esta experiencia tiene por objetivo familiarizar al estudiante con los instrumentos y el aprendizaje de las teorías de medición de presiones y debido a las diferentes aplicaciones que se hacen en el laboratorio, establecen el instrumento adecuado para cada caso.

Fundamento teórico:

Este tipo de manómetros es la forma más sencilla de dispositivo para medir presiones, donde la altura, carga o diferencia de nivel, a la que se eleva un fluido en un tubo vertical abierto conectado a un aparato que contiene un líquido, es una medida directa de la presión en el punto de unión y se utiliza con frecuencia para Mostar el nivel de líquidos en tanques o recipientes.

Puede utilizarse el mismo principio con indicadores de tubo en U, en el cual, conocida la densidad del líquido empleado en él, la carga o altura constituye una medida de la presión relacionándola con la correspondiente a la atmosférica. La figura muestra el manómetro fundamental de tubo en U. Otro dispositivo equivalente como en la siguiente figura, cuando es necesario (como en el caso de la presión de un gas) que la presión se mida por la altura o carga de algún fluido distinto de aquel cuya presión se busca.

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La mayoría de estos manómetros pueden ser utilizados como manómetros abiertos o como manómetros diferenciales, cuando indican la diferencia entre dos presiones diferentes de la atmosférica. El fluido manométrico que forma la columna líquida en estos indicadores puede ser cualquier líquido que no se mezcle con el fluido a presión. Para altos vacíos o presiones elevadas y grandes diferencias de presión el líquido del medidor debe ser de una gran densidad por esto casi siempre se utiliza como fluido manométrico el mercurio y para las bajas presiones líquidos de menor densidad como el agua, alcohol, kerosén, etc.

Los manómetros abiertos dan lecturas en altura, cm. de mercurio o altura de fluido manométrico, luego para el cálculo de la presión manométrica del fluido de proceso (punto A de la figura 1a) se recurre a fórmulas como la siguiente:

da = ( Hm dm – K dm ) g / gc

Donde:

da: es la densidad del fluido A

dm: es la densidad del mercurio

K: es la distancia entre el fluido manométrico y el fluido cuya presión se quiere averiguar.

g: es la aceleración local debida a la gravedad

gc: es una constante adimensional

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Dentro de los manómetros diferenciales tenemos el tubo en U diferencial, el cual mide la diferencia de presiones entre los orificios de toma A y B ( figura 3) en altura de fluido manométrico , luego la diferencia de presión se expresa mediante la siguiente ecuación:

da – db = ( Hm(dm – da) + kada – kbdb) g / gc

Donde:

ka, kb son las distancias verticales de la superficie del fluido manométrico por encima de A y B respectivamente.

da , db son las densidades de los fluidos en A y B.

Otro tipo, es el tubo en U diferencial invertido, en el que el fluido que llena el tubo en U puede ser un gas o un fluido ligero, y el cual es frecuentemente usado para medir diferencia de presiones en líquidos cuando las columnas abiertas líquidas son extraordinariamente elevadas, o cuando el líquido a presión no puede exponerse a la atmósfera.

Por último están los manómetros de columna liquida que miden directamente la presión absoluta del fluido, siempre que el espacio encima del mercurio sea el “vacío total o el vacío perfecto”, luego en una medida con referencia a una presión nula, como los tubos en U cerrados o el barómetro de mercurio que registra directamente la presión absoluta de la atmósfera en función de la altura de la columna de mercurio ( figura 5). La presión barométrica normal es 760 mm

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Hg a 0ºC (equivalente a 14,7 lb/pulg2 o a 1 atm )

Cuando la presión se mida en términos de una altura de columna de líquido, que no sea de mercurio o de agua (para los cuales ya se conoce el valor de la presión estándar o normal) es fácil convertir la altura de un líquido a otro por medio de las siguientes expresiones:

p = dgh/gc

Donde:

d = densidad del liquido

h = altura de la columna

Obteniendo la relación de esta expresión para dos sustancias diferentes se tendrá la relación entre las alturas de las dos columnas de líquido.

Altura fluido 1/ altura fluido 2 = densidad fluido 2 / densidad fluido 1.

Una variante de este tipo de manómetros son los manómetros de columna inclinada usados para medir diferencias de presiones muy pequeñas, ya que estos tienen la ventaja sobre los manómetros de columna de líquido por la amplificación de la lectura. El tubo en U inclinado se utiliza porque la longitud de la altura o carga puede multiplicarse varias veces por la inclinación de la columna liquida y la escala será más ancha. Si la lectura R se toma como se indica y R0 es la

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lectura cero. Hm estará dado por Hm = (R – R0 ) senф y el cálculo de ( dA – dB ) es de la misma forma que para el tubo en U vertical.

Datos de Laboratorio

Se realizaron mediciones en el laboratorio usando un manómetro diferencial de columna inclinada.

MEDIDAS PATRON

Distancia

(cm)

Presión Total

(pulg H2O)

Presión Estática

(pulg H2O)

Presión de velocidadpulg H2O)

5 0.586 0.434 0.1546 0.626 0.433 0.1917 0.656 0.43 0.2238 0.65 0.4285 0.23659 0.6698 0.43 0.231

10 0.6649 0.445 0.22711 0.653 0.438 0.2165

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12 0.656 0.449 0.2113 0.6498 0.448 0.203

MEDIDAS DEL INTRUMENTO

Distancia(cm)

Presión Total

(pulg H2O)

Presión Estática

(pulg H2O)

Presión de velocidadpulg H2O)

5 0.545 0.41 0.156 0.59 0.415 0.187 0.62 0.41 0.228 0.65 0.41 0.2359 0.645 0.415 0.2410 0.65 0.415 0.2411 0.635 0.45 0.23512 0.64 0.42 0.22513 0.62 0.42 0.215

CURVAS DE CALIBRACION

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0.52 0.54 0.56 0.58 0.6 0.62 0.64 0.660.54

0.56

0.58

0.6

0.62

0.64

0.66

0.68

f(x) = 0.70064572425829 x + 0.210154130308319

Curva de calibracion Ptotal

Ptotal Instrumento

Ptot

al P

atro

n

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0.405 0.41 0.415 0.42 0.425 0.43 0.435 0.44 0.445 0.45 0.4550.415

0.42

0.425

0.43

0.435

0.44

0.445

0.45

0.455

f(x) = 0.187333333333333 x + 0.35891f(x) = 0.187333333333333 x + 0.35891

Curva de calibracion Pestatica

Pestatica Instrumento

Pest

atica

Pat

ron

Observaciones

La presión en el ducto de succión es negativa, esto es, menor que la presión atmosférica. Esta consideración debe tenerse en cuenta al usar el manómetro diferencial, pues se debe colocar la manguera de presión en el lado que nos permita tomar la lectura de la diferencia de presión.

Las mediciones en el punto 08 del ducto de succión y en los puntos 09 y 10 del ducto de descarga no son tan precisas dado que el flujo aún no se ha estabilizado. Esto se debe a que esta parte del ducto se encuentra muy cerca del compresor.

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CONCLUSIONES

En el presente laboratorio se dio uso de manómetros de gran exactitud y precisión, para calibrar otros manómetros, como el de Bourdon y el manómetro de agua, los valores obtenidos en los ensayos, se compararon con los leídos por los manómetros mencionados antes, obteniéndose un error de 17%.

En la experiencia con el manómetro de peso muerto se noto que a medida que disminuimos la presión en este (calibrador) el porcentaje de error del manómetro de Bourdon (instrumento en calibración) se eleva. Por tanto se deduce que un manómetro de Bourdon no mide presiones pequeñas con exactitud, a menos que tenga una buena calibración.

En la experiencia de calibración con ayuda del tubo de pitot, se observo que la presión estática es prácticamente invariable medido con el instrumento calibrador y el calibrado, y que la presión de estancamiento si tiene un error, que al igual que la experiencia del manómetro de peso muerto tiene la característica de que el error aumenta a medida que las presiones son pequeñas.

Con lo expuesto es de consideración que si queremos medir presiones pequeñas con manómetros de fácil transporte (de Bourdon y de agua), se tendrán que hacer muchas pruebas para lograr una buena calibración.

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BIBLIOGRAFÍA

Avallone, Eugene A. "Manual de Ingeniero Mecánico". Tomo 1 y 2. Novena Edición. Mc Graw Hill. Mexico, 1996.

Bolinaga, Juan. "Mecánica elemental de los fluidos". Fundación Polar. "Universidad Católica Andrés". Caracas, 1992.

Enciclopedia Salvat, Ciencia y Tecnología. Tomo 12 y 14. Salbat Editores, S.A. Primera Edición. Barcelona, 1964.

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