LABORATORIO #2
CALIBRACIÓN DE PESOS MUERTOS. E. GUERRERO, R. PAEZ, V. PUGLIESE. DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA – MECANICA DE FLUIDOS.
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LISTADO DE TABLAS
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Tabla 1. Datos experimentales. Tabla 2. Datos experimentales. Medición 2. Tabla 3. Datos experimentales. Medición 3. Tabla 4. Datos relevantes de la experiencia. Tabla 5. Promedio datos experimentales. Tabla 6. Presiones teóricas. Tabla 7. Errores Absolutos y relativos.
LISTADO DE FIGURAS
1. 2. 3. 4.
Fig. 1 Montaje del experimento. Fig. 2 Masas vs. Presión Manométrica. Fig. 3 Masas vs. Error relativo. Fig. 4 ESQUEMA - FUNCIONAMIENTO DEL MECANISMO
FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DEL NORTE DIVISIÓN DE INGENIERÍAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS CALIBRACIÒN DE PESOS MUERTOS
1. Introducción. En el presente informe, se muestran los resultados de la práctica de laboratorio realizada por estudiantes del curso de Mecánica de Fluidos, en la cual se calibró un manómetro de Bourdon. La experiencia se realizó en el Laboratorio de Máquinas Hidráulicas, ubicado en la Fundación Universidad del Norte. Se muestran los conceptos básicos de presión hidrostática, y el funcionamiento del manómetro. Posteriormente, se observan los datos obtenidos durante la práctica (presiones manométricas, y errores absolutos y relativos). Estos se tabularon y se realizaron gráficas representativas. Luego, se analizó los datos obtenidos con la ayuda de gráficas.
2. Objetivos.
Conocer el funcionamiento de un manómetro de Bourdon.
Determinar los errores en la medición de presión manométrica.
3. Marco Teórico. Eventualmente el sistema Pistón – Cilindro se utiliza para aplicar una fuerza en una determinada porción del área superficial del contenido, El uso del pistón y los pesos con el cilindro del equipo genera una medida inicial, tomada como referencia para la presión. [1] La presión (P) se encuentra dada por la siguiente ecuación: P=F/A ; teniendo en cuenta que las unidades de esta presión P se encuentran en Pa (Pascales). Además es importante mencionar, que la fuerza F se encuentra dada por:
F= M g
4. Materiales y Metodología.
Los materiales que se utilizaron para la realización de esta experiencia de laboratorio fueron los siguientes: Pesos de calibración. Equipo para la calibración de pesos muertos. Banco de ensayo. En la figura 1 se puede observar el montaje realizado.
Fig. 2 Montaje del experimento. Luego de haber hecho el montaje, se procede a llevar a cabo la práctica. Lo primero que se verifica es que el manómetro no esté registrando ninguna presión. Seguidamente se nivela el equipo utilizando el nivel de burbuja que se encuentra en este mismo. Seguidamente se abren las válvulas por las que va a fluir el líquido, en este caso agua y se retira el pistón del cilindro. Luego se extrae agua del banco de ensayos y se almacena en un recipiente para luego ser vertida en el cilindro hasta llenarlo completamente y posteriormente cerrar las válvulas, con la precaución de estar vigilando que no quede aire dentro del sistema. Después se ensambla nuevamente el pistón con el cilindro y registrar la medida que indica el manómetro. Esta medida será el cero de para la presión. Luego de haber tomado este valor se adicionan los pesos que se necesiten y se registran los resultados que indique el manómetro.
5. Resultados. Tabla 1. Datos experimentales. Masa [kg] Presión (Ida) [kN/m2] 0.5 40 1 57 2 88 2.5 105 Presión Inicial 24
Presión (Vuelta) [kN/m2] 49 68 92 107 24
Tabla 2. Datos experimentales. Medición 2. Masa [kg] Presión (Ida) [kN/m2] 0.5 42 1 60 2 93 2.5 110 Presión Inicial 24
Presión (Vuelta) [[kN/m2] 48 68 93 112 24
Tabla 3. Datos experimentales. Medición 3. Masa [kg] Presión (Ida) [kN/m2] 0.5 42 1 59 2 91 2.5 110 Presión Inicial 24
Presión (Vuelta) [kN/m2] 49 66 100 110 27
6. Análisis de resultados. Tabla 4. Datos relevantes de la experiencia. Ítem Masa del Pistón Diámetro del Pistón Área del Pistón Tabla 5. Promedio datos experimentales. Masa [kg] Presión (Ida) Presión [kN/m2] (Vuelta) [kN/m2] 0.5 41.3 48.6 1 58.6 67.3 2 90.6 95 2.5 108.3 109.6 Presión 24 25 Inicial
Valor 0.498 kg. 0.01767 m. 2.452240046 m2 = 0.02
Presión Manométrica (ida) 17.3 34.6 66.6 84.3 0
Presión Manométrica (vuelta) 24.6 43.3 71 85.6 1
Fig. 2 Masas vs. Presión Manométrica. Tabla 6. Presiones teóricas. Masa [kg] Presión Inicial (Masa Pistón) + 0.5 +1 +2 + 2.5 Tabla 7. Errores Absolutos y relativos. Masas Error absoluto Ida Vuelta 0 0 1 + 0.5 -2,7021 4.5979 +1 -5.4042 3.2958 +2 -9.0085 13.4085 + 2.5 15.7106 14.4106
Presión Manométrica [kN/m2] 0 20.0021 40.0042 80.0085 100.0106
Error relativo % Ida N.D. 13.5091 13.5091 16.7588
Vuelta N.D. 22.9871 8.2386 11.2594
15.7089
14.4091
Fig. 3 Masas vs. Error relativo.
7. Cuestionario 1.
Definiciones:
PRESION ATMOSFERICA LOCAL: La presión atmosférica local es definida como la presión real que hay en un momento dado en un punto y normalmente será diferente a la presión Estándar o Normal en ese punto, debida a que las condiciones atmosféricas raramente corresponden a las estándar. PRESION ABSOLUTA: La presión absoluta se define como la presión atmosférica más la presión manométrica (presión que se mide con el manómetro) del sistema. PRESION MANOMETRICA: Usualmente se le llama presión manométrica a la diferencia entre la presión absoluta o real y la presión atmosférica. Esta se aplica tan solo en aquellos casos en los que la presión es superior a la presión atmosférica. HISTERESIS: La histéresis es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado. PRECISION: Se le denomina precisión a la capacidad de un instrumento de dar el mismo resultado en mediciones diferentes realizadas en las mismas condiciones ambientales. EXACTITUD: Se le denomina exactitud a la capacidad de un instrumento de medir un valor muy cercano al valor de la magnitud real.
2.
La mayoría de los instrumentos para la medición de la presión se basan principalmente en registrar una diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local, permitiendo tener un cálculo implícito de la presión atmosférica loca. En la actualidad se utilizan diferentes tipos de estos instrumentos tanto análogos como digitales para obtener los valores de esta presión. Dentro de los instrumentos análogos tenemos:
Manómetros en forma de U: Este Manómetro consiste en un tubo en forma de U con un extremo conectado al recipiente que contiene el fluido y el otro extremo abierto a la atmósfera. El tubo contiene un líquido, como agua, aceite o mercurio, y la diferencia entre los niveles del líquido en ambas ramas indica la diferencia entre la presión del recipiente y la presión atmosférica local. El Barómetro de Fortín: Se compone de un tubo Torricelliano que se introduce en el mercurio contenido en una cubeta de vidrio en forma tubular, provista de una base de piel de gamo cuya forma puede ser modificada por medio de un tornillo que se apoya en su centro y que, oportunamente girado, lleva el nivel del mercurio del cilindro a rozar la punta de un pequeño cono de marfil. Así se mantiene un nivel fijo. El barómetro está totalmente recubierto de latón, salvo dos ranuras verticales junto al tubo que permiten ver el nivel de mercurio. En la ranura frontal hay una graduación en milímetros y un nonius para la lectura de décimas de milímetros. En la posterior hay un pequeño espejo
para facilitar la visibilidad del nivel. Al barómetro va unido un termómetro. De igual forma también estos instrumentos de medición se encuentran digitales, tal como el siguiente: Manómetro Digital: Manómetros digitales con sensor integrado o independiente. Rangos de 0 – 30 mbar a 0 – 2000 bar ó –1+2 bar a –1 +20 bar. Precisiones del ± 0,2 %, ± 0,1 % ó 0,05% sobre el fondo de escala. Opciones con selección de unidades, valor máximo y mínimo, tiempo de funcionamiento, puesta a cero, salida vía RS232 para volcado de datos y software.
3. El manómetro es un instrumento utilizado para la medición de la presión en los fluidos, generalmente determinando la diferencia de la presión entre el fluido y la presión local. Dentro de los manómetros más comunes tenemos él: Manómetro de Bourdon: Este instrumento mecánico de medición de presiones emplea como elemento sensible un tubo metálico curvado o torcido, de sección transversal aplanada. Un extremo del tubo esta cerrado, y la presión que se va a medir se aplica por el otro extremo. A medida que la presión aumenta, el tubo tiende a adquirir una sección circular y enderezarse. El movimiento del extremo libre (cerrado) mide la presión interior y provoca el movimiento de la aguja. [2] Aplicaciones [2]: -El manómetro en el buceo: El manómetro es de vital importancia para el buceador por que le permite conocer cuánto aire le resta en el tanque (multiplicando el volumen del tanque por la presión), durante una inmersión y determinar entonces si debe continuarla o no. Se conecta, mediante un tubo de alta presión o latiguillo, a una toma de alta presión (HP). Normalmente, indica la presión mediante una aguja que se mueve en una esfera graduada, en la que acostumbra a marcarse en color rojo la zona comprendida entre las 0 y las 50 atmósferas, denominada reserva. -La manometría en la medicina: En las mediciones se utiliza la manometría para realizar mediciones de actividades musculares internas a través de registros hidroneumocapilares, por ejemplo la manometría ano rectal o la manometría esofágica.
-En la industria del frigorífico: Para mantener controlada la presión del líquido refrigerante que pasa por la bomba. El micro - manómetro es un instrumento de 8 mm de largo por 2,7 mm. de diámetro, colocado en la cabeza de un catéter y destinado a la exploración de las cavidades cardiacas y vasculares. Permite la obtención de trazados de presiones muy exactos y registrar las vibraciones acústicas de los ruidos y soplos en el corazón y vasos. 4.
MANOMETRO DE BOURDON
Principio de Histerésis
Forma interior: 3/4 de circunferencia
Fabricado con un material elastico
Fig. 4 ESQUEMA - FUNCIONAMIENTO DEL MECANISMO
Conectado a un tubo
Por medio del tubo el fluido entra en contacto con el mecanismo, empieza a pivotear y a marcar la presión.
5. A partir de la figura 2 se puede observar que los valores experimentales se desvían un poco de los valores que se esperaban. Dependiendo de la utilización de los datos, se puede determinar si la aproximación es aceptable. Los errores en la medición son muy difíciles de eliminar por completo. Además, es necesario tener en cuenta que el modelo matemático que expresa la presión es también una aproximación. 6. A partir de la figura 3 se puede ver claramente que el error relativo aumenta cuando hay más masa en el portamasas; es decir, cuando se trabajan con presiones mayores. Al parecer, los errores se acumulan cuando el valor de la presión aumenta. El funcionamiento del manómetro, los mecanismos que lo componen, pueden ser los responsables de estos errores. 7. La precisión del manómetro es buena al comenzar a colocar masas, pero a medida que se aumenta la presión, la desviación aumenta. Esto se debe a que al recibir los primeros estímulos (presiones) el manómetro no se ha deformado demasiado. Posteriormente, las “lecturas” de las nuevas presiones
se ven afectadas por el efecto causado por las anteriores al instrumento. El instrumento se opone a deformarse cuando las nuevas presiones actúan. 9. Este error se puede estar presentando por algún desperfecto mínimo que pudiera tener el manómetro, ya que al inicio de la experiencia se vio que el cero del aparato no coincidía con el cero de la presión. De igual manera se pudo notar que cuando se colocaban los pesos sobre el pistón, la presión alcanzaba un valor máximo y que esta iba descendiendo con el tiempo, por lo que para los observadores era un poco complicado escoger un valor exacto. Por tal motivo se tomaba el primer valor que se veía y que no siempre era el correcto. 10. El manómetro de Bourdon es un mecanismo muy útil, sin embargo su funcionamiento puede fallar a veces. En el caso del experimento que se realizó, se cometió un error que bien pudo ser por causada por el observador que tomó mal la medición o por el mismo mecanismo. Algunas de estas causas de falla puede ser la fatiga, el sobrepresión, por corrosión, la temperatura a la que se encuentran tanto el líquido como el ambiente y las vibraciones externas en el lugar donde se encuentra localizado. 11. Los manómetros tienen diversas aplicaciones por ejemplo, su utilización en los tanques de oxígeno de un buceador para la medición de la cantidad de oxigeno que queda disponible. También en la medicina se emplea para registrar actividad muscular interna, con ayuda del manómetro ano rectal o el manómetro esofágico.
8. Conclusiones. Los manómetros son instrumentos muy útiles para determinar la presión que experimentan los fluidos. Trabajan a partir de una presión de referencia, y posteriormente, se pueden cuantificar las variaciones de presiones. Sin embargo, algunas veces se pueden presentar errores en las mediciones que se van acumulando a medida que la presión aumenta. La histéresis de los mecanismos usados en el manómetro posiblemente afectan las mediciones.
9. Bibliografía. [1] Tomado de GUIA No.2- Informe de laboratorio. [2] Tomado de: http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/medidores/manometro/manometro.html [3] Mecánica de fluidos. Fundamentos y aplicaciones. Yunus Cengel; John Cimbala. McGrawHill. 2006.
