Viscosity, Density and Flow Laboratory

La medida de CAUDAL ha sido siempre muy importante en procesos de fabricación para muchas industrias, tales como la aeroespacial, química, ingeniería de precisión, dosificadoras, automoción, etc. Recientemente, el desarrollo de las tecnologías más avanzadas de muchos campos ha dado como resultado requisitos más exigentes de las medidas de caudal lo que las hace más críticas que nunca. Los equipos de medida de caudal son por tanto más y más importantes.

El Laboratorio de Caudal del INTA posee dos calibradores primarios de caudal de gases entre los que se reparte el bajo y alto/medio margen de medida: calibrador de pistones y calibrador tipo camapana. Con este equipamiento puede calibrarse casi toda clase de patrones y caudalímetros de gas en conductos cerrados, tales como MFC (Mass Flow Controllers), rotámetros, turbinas, toberas sónicas, LFE (Laminar Flow Element), contadores, etc.

El Laboratorio también cuenta con la línea de calibración de caudal de líquidos, que se realiza con dos calibradores tipo pistón.

Otros sistemas de calibración que posee el Laboratorio son los de densidad y viscosidad cinemática de líquidos, que son principalmente magnitudes auxiliares de los calibradores de caudal de líquidos pero con los que se presta servicio de calibración a toda clase de clientes.

Línea de Caudal de Gases

El calibrador de pistones incluye tres unidades de cilindros de precisión con pistones de diferentes tamaños para permitir la calibración a diferentes rangos (desde 6 cm3/min con el cilindro más pequeño hasta 30 L/min con el mayor). Cada unidad es un tubo de cuarzo en el cual se coloca un pistón de plástico de diámetro ligeramente menor. Los pistones poseen un canal a lo largo de su periferia donde se coloca una pequeña cantidad de mercurio, formando un sello de baja fricción entre el pistón y la pared interior del tubo. La selección del tubo de interés se realiza con una electroválvula.

El sistema primario de bajo rango funciona de tal manera que se recoge un volumen de gas durante cierto intervalo de tiempo, medido a las condiciones de temperatura y presión actuales. El caudal másico se expresa como , siendo r la densidad del gas y V el volumen recogido. Todos los parámetros usados para el cálculo del caudal son directamente trazables al Sistema Internacional de Unidades de tiempo, temperatura, masa y longitud.

El caudalímetro a calibrar (MUT) se coloca entre los controladores de caudal y el sistema de calibración. El proceso de calibración está gobernado por un ordenador: una vez que se ha alcanzado el caudal deseado de una forma estable se adquiere una muestra de medidas. Cada tubo posee un sónar en su extremo superior con el que se determina la posición del pistón cuando este asciende, determinándose también el tiempo que ha empleado en desplazarse desde una posición a otra.

El calibrador tipo campana mide de forma precisa el volumen de gas mientras se recoge en condiciones de presión y temperatura constante en el interior de un recinto cerrado de dimensiones conocidas, es decir, en la campana. La presión constante se consigue mediante unos contrapesos y unas poleas para contrarrestar el peso de la campana. La temperatura constante se consigue al colocar el calibrador en una sala de temperatura controlada.

El calibrador traduce el volumen de gas desplazado en un movimiento lineal de la campana, ya que ésta es un cilindro de precisión con área de sección recta constante. Con esta área fija, el caudal volumétrico es proporcional a la velocidad lineal de la campana, que determina mediante un transductor generador de un tren de pulsos eléctricos tipo TTL, cuya frecuencia es proporcional a la velocidad.

Alcance de Calibración de la Línea Caudal de Gases

Línea de Caudal de Líquidos.

El Laboratorio también posee dos calibradores de caudal de líquidos tipo pistón activos, es decir, capaces de generar caudal. Este equipo es un dispositivo de calibración volumétrico de bajo caudal líquido muy preciso.

El calibrador utiliza un pistón dentro de un tubo de superficie interior fabricada con alta precisión que actúa como una barrera que se mueve entre el gas presurizado y el fluido de trabajo desplazado. Esto genera un tren continuo de pulsos eléctricos mediante el uso de un encóder lineal solidariamente unido al pistón. Cada pulso representa un volumen de fluido extremadamente pequeño pero muy preciso, aproximadamente 1,5 mL. La unidad es inmune a los efectos de la viscosidad, densidad y compresibilidad de los fluidos de trabajo cuando lleva a cabo sus determinaciones de flujo volumétrico.

Para que el calibrador genere caudal se introduce aire bajo presión en el lado aguas arriba del pistón para proporcionar al fluido la energía mecánica necesaria para la calibración. Aguas abajo del pistón, el sistema está totalmente lleno de fluido de calibración usado para calibrar todo tipo de caudalímetros. Se opera la válvula para permitir la ejecución de la calibración y el caudal se controla actuando sobre las válvulas de regulación. Cuando el pistón se mueve el tubo de alta precisión suministra fluido de una manera precisa a través del caudalímetro objeto de calibración, esto también mueve un sensor fotoeléctrico que pasa por una regla de cristal grabado. El encóder produce un pulso eléctrico cada vez que una línea grabada interrumpe un haz de luz chocando con él. La frecuencia del tren continuo de pulsos producido por el calibrador durante su carrera es proporcional a la velocidad del pistón y por tanto al caudal de fluido suministrado por el tubo. El conteo total de pulsos es directamente proporcional al volumen de fluido desplazado por el pistón.

Alcance de Calibración de la Línea Caudal de Líquidos.

El pistón es devuelto a la posición de aguas arriba para otra carrera sin más que venteando el aire retenido aguas arriba del pistón. Se suministra aire a presión desde el depósito que proporciona potencia de fluido para el retorno del pistón. Se abre la válvula de retorno y el fluido presurizado en el lado del pistón aguas abajo que le obliga a volver a la posición de aguas arriba. Cuando el pistón alcanza su posición de aguas arriba, el aire a presión se quita y es ventado desde el depósito. Este método de posicionar el pistón hace que no pase el fluido a través del caudalímetro durante la función de retorno. Con este calibrador pueden calibrarse todo tipo de caudalímetros, sobre todo aquellos que tienen una electrónica de respuesta rápida (especialmente las turbinas y de desplazamiento positivo). La calibración de los caudalímetros de lenta respuesta tienen el inconveniente aparejado de la rápida descarga del pistón a altos caudales. Para la calibración de los caudalímetros de lenta respuesta, el laboratorio está montando un calibrador de caudal de líquidos en régimen continuo, lo cual permite largos tiempos para la estabilización de la medida en el caudalímetro cliente.

Alcance de Calibración de la Línea Caudal de Gases

Línea de Densidad y Viscosidad Cinemática de Líquidos. 

El Laboratorio de Caudal ha tenido la necesidad de desarrollar la calibración de las magnitudes densidad y viscosidad cinemática de líquidos por su profunda relación con la medida de caudal de líquidos. La calibración a clientes de la densidad de líquidos se realiza mediante un densímetro oscilante cuyo principio de operación se basa en la vibración de un tubo de cristal a cierta frecuencia, que varía cuando el tubo se llena con una muestra de líquido de tal forma que una mayor masa significa una menor frecuencia, que es medida y convertida en densidad.

Este densímetro tiene un tubo en forma de “U”, donde se inyecta la muestra de líquido objeto de medición, que oscila a su frecuencia fundamental, la cual es función de la masa del sistema. Este elemento está rígidamente sujeto en su extremo abierto, como una viga en voladizo: empotrada por un extremo y libre por el otro. En esta situación la viga se comporta como un muelle de constante “K” y cuya frecuencia propia de oscilación será . Asumiendo que la muestra atrapada entre los nodos de oscilación es constante, puede verse que la frecuencia de oscilación es función de la densidad de la muestra:

  siendo: “r” la densidad de la muestra de líquido introducida en el tubo “U”, “W” la frecuencia propia de oscilación del tubo, “V” del volumen interior del tubo y “K” su constante como muelle lineal. De esta última expresión se obtiene que

Las constantes “G” y “H” se obtienen mediante calibración en dos puntos de densidad a la misma temperatura.

La trazabilidad de esta medida parte de la técnica de la picnometría y de la definición de la densidad del agua

998.20 kg/m³ a 20 ºC

Mediante la utilización de picnómetros se preparan patrones líquidos de densidad calibrados a temperatura ambiente.

La calibración de líquidos a otras temperaturas se realiza con el densímetro oscilante patrón de trabajo del laboratorio que posee un horno interno para estabilizar la temperatura de la muestra.

La calibración a clientes de la viscosidad cinemática de líquidosse realiza mediante la utilización de viscosímetros capilares. Estos elementos poseen un tubo de pequeño diámetro por donde cae el líquido a calibrar generándose el perfil de velocidades parabólico de Poisseulle.

Fotografía: detalle de un viscosímetro capilar tipo Ubbelhode y otro Cannon Fenske .

Alcance ENAC de Calibración de la Línea de Viscosidad Cinemática y Densidad de Líquidos (LC-324)

Esquema de un calibrador de caudal de gases tipo pistón