Los manómetros son instrumentos muy comunes en la industria de procesos. Como cualquier dispositivo de medición, los manómetros deben calibrarse periódicamente a fin de garantizar su exactitud. Existen muchos aspectos que deben tenerse en cuenta a la hora de calibrar manómetros. En este artículo se enumeran 20 aspectos que deberían considerarse cuando se calibren manómetros.
Las 20 consideraciones que se abordan en este artículo son las siguientes:
1. Clases de exactitud
2. Medio o fluido transmisor de la presión
3. Contaminación
4. Diferencia de altura
5. Prueba de fugas en los tubos de conexión
6. Efecto adiabático
7. Par
8. Posición de calibración/montaje
9. Generación de presión
10. Presurización/ejercitación del manómetro
11. Lectura del valor de presión (resolución)
12. Número de puntos de calibración
13. Histéresis (dirección de los puntos de calibración)
14. “Golpeteo” del manómetro
15. Número de ciclos de calibración (repetibilidad)
16. Ajuste/corrección
17. Documentación – certificado de calibración
18. Condiciones ambientales
19. Trazabilidad metrológica
20. Incertidumbre de la calibración (TUR/TAR)
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Antes de abordar cada uno de los aspectos a tener en cuenta cuando se calibran manómetros, echemos un vistazo rápido a una serie de conceptos más básicos.
La presión es la fuerza perpendicular a la superficie dividida entre el área afectada. Por tanto, la presión es igual a fuerza por unidad de área o p = F / A.
Existen muchas unidades de presión distintas que se utilizan en todo el mundo y en ocasiones esto puede resultar muy confuso. La unidad de ingeniería correspondiente a la presión, según el sistema SI, es el Pascal (Pa), que equivale a una fuerza de un Newton por metro cuadrado, 1 Pa = 1 N/m². Dado que el Pascal es una unidad muy pequeña, suele utilizarse con coeficientes, como hecto, kilo y mega.
Más información sobre la presión y las distintas unidades de presión y sus características en la publicación del blog Unidades de presión y sus conversiones.
Existe una herramienta de conversión de unidades de presión en línea en la página Conversor de unidades de presión.
Existen diferentes tipos de presión: presión manométrica, absoluta, vacío, diferencial y barométrica. La diferencia principal de estos tipos de presión es el punto de referencia respecto al cual se compara la presión medida. Existen manómetros para todos estos tipos de presión. Asimismo, existen manómetros compuestos, incluyendo una escala combinada tanto para presión manométrica positiva como para presión manométrica negativa (vacío).
Información más detallada sobre los diferentes tipos de presión en la publicación del blog Conceptos básicos de la calibración de presión – tipos de presión
Cuando se habla de manómetros, es normal referirse a indicadores analógicos de presión provistos de una aguja indicadora y una escala de presión. Estos dispositivos suelen fabricarse conforme a las normas EN 837 ó ASME B40.100. A menudo este tipo de manómetros analógicos se construyen con un tubo Bourdon, diafragma o cápsula. Tienen una estructura mecánica que mueve la aguja indicadora a medida que aumenta la presión, lo que hace que la aguja se desplace por la escala.
Los manómetros se dividen en diferentes clases de exactitud que determinan la exactitud del manómetro, además de otras características. Normalmente, los rangos de presión disponibles se dividen en pasos con coeficientes de 1, 1.6, 2.5, 4 y 6 que continúan hasta la década siguiente (10, 16, 25, 40, 60), y así sucesivamente. Los diferentes diámetros de las escalas de los manómetros suelen ser de 40, 50, 63, 80, 100, 115, 160 y 250 mm (1 ½, 2, 2 ½, 4, 4 ½, y 6 pulgadas).
Los manómetros de mayor exactitud suelen tener un diámetro mayor. Los conectores de presión suelen ser machos de rosca paralela (G) según la norma ISO 228-1, o bien de rosca cónica (NPT) según la norma ANSI/ASME B1.20.1.
Son también manómetros, pero digitales, aquellos que incluyen una indicación numérica de la presión en lugar de un indicador analógico. Este artículo se centra en los manómetros analógicos, aunque la mayoría de los principios son válidos para ambos.
Los manómetros se utilizan con frecuencia en todas las industrias y son instrumentos muy habituales que requieren calibración. Como con cualquier dispositivo de medición de procesos, deberían calibrarse periódicamente a fin de garantizar que sus mediciones sean correctas. El hecho de que los manómetros sean instrumentos mecánicos añade el riesgo de desviación debido al estrés mecánico.
Se puede obtener información de carácter más general sobre por qué se deben calibrar los instrumentos en la publicación del blog ¿Por qué calibrar?
Más información sobre la frecuencia de las calibraciones en la publicación del blog ¿Con qué frecuencia se deberían calibrar los instrumentos?
Si simplificamos al mínimo el principio de calibración de un manómetro, podemos afirmar que cuando calibramos un manómetro, facilitamos una entrada de presión conocida con gran exactitud y leemos la indicación en la escala del manómetro, y luego lo documentamos y comparamos. La diferencia entre los valores es el error y este debería ser menor que la exactitud requerida aplicable al manómetro.
En esta sección se enumeran los 20 aspectos más habituales que deberían ser considerados al calibrar manómetros.
Los manómetros están disponibles en distintas clases de exactitud. Las clases de exactitud se especifican en las normas ASME B40.100 (clases de exactitud del 0,1 al 5% del rango de escala) y EN 837 (clases de exactitud del 0,1 al 4% del rango de escala). La especificación de la clase de exactitud suele expresarse como «% del rango de escala», lo que significa que si la clase de exactitud es del 1 % y el rango de escala va de 0 a 100 psi, la exactitud es de ±1 psi. Se debe conocer la clase de exactitud del manómetro que se va a calibrar, ya que evidentemente ello determinará el nivel aceptable de exactitud, pero también tendrá otros efectos sobre el procedimiento de calibración.
Al calibrar manómetros, el medio transmisor de la presión más frecuente es un gas o líquido. El gas más habitual es el aire normal, pero en algunas aplicaciones también pueden utilizarse otros gases como el nitrógeno. Los líquidos más frecuentes son el agua o el aceite. El medio transmisor de la presión durante la calibración depende del medio utilizado en el proceso al cual está conectado el manómetro. El medio también depende del rango de presión. La calibración de los manómetros de baja presión resulta más práctica realizarla con aire/gas, pero a medida que aumenta el rango de presión, es más práctico y también más seguro utilizar un líquido como medio transmisor.
El manómetro, mientras permanece instalado en un proceso, utiliza un tipo determinado de medio o fluido de presión, lo que debería tenerse en cuenta a la hora de seleccionar el medio transmisor de la presión en la calibración. Durante la calibración, no se debería utilizar ningún medio transmisor de la presión que pueda causar problemas cuando el manómetro se instale de nuevo en el proceso. De la misma forma, puede ocurrir a la inversa, es decir, que el medio transmisor del proceso puede resultar perjudicial para el equipo de calibración.
Puede existir suciedad dentro del manómetro que puede penetrar en el equipo de calibración y causar daños. En la calibración de aquellos manómetros que operan con gas, es posible emplear una trampa para la suciedad/humedad, pero en el caso de manómetros que operan con líquido, debería limpiarse el manómetro antes de llevar a cabo la calibración.
Una de las situaciones más extremas se da cuando un manómetro es utilizado para medir presión de oxígeno. Si durante la calibración entra aceite o grasa en el manómetro, éste se volverá especialmente peligroso cuando se monte en el proceso y entre en contacto con oxigeno puro a alta presión pudiendo causar una explosión.
Si el equipo de calibración y el manómetro objeto de la calibración se encuentran a diferentes alturas, la presión hidrostática del medio transmisor de la presión en las tuberías puede dar lugar a error. Esto no suele suceder cuando se utiliza gas como medio transmisor de la presión, ya que el gas es ligero en comparación con el líquido. Pero cuando se utiliza líquido como medio transmisor, el líquido presente en las tuberías tendrá un peso debido a la presión hidrostática y puede dar lugar a error. La magnitud del error depende de la densidad del líquido y la diferencia de altura, ya que la gravedad empuja el líquido dentro de la tubería. Si no es posible lograr que el manómetro y el equipo de calibración estén a la misma altura, se debería calcular el efecto de la diferencia de altura y tenerlo en cuenta durante la calibración.
La presión hidrostática se calcula del modo siguiente:
Ph = r × g × h
Donde:
Ph = presión hidrostática
r = densidad del líquido (kg/m³)
g = gravedad local (m/s²)
h = diferencia de altura (m)
A modo de ejemplo, si el agua es el medio (densidad: 997,56 kg/m³), la gravedad local es de 9,8 m/s² y existe una diferencia de 1 metro entre el DUT y el equipo de referencia, esto dará lugar a un error de 9,8 kPa (98 mbar ó 1,42 psi).
Es importante recordar que, en función de la presión a medir, el error causado por la diferencia de altura puede ser significativo.
Si durante la calibración existe alguna fuga en alguno de los tubos, pueden producirse errores imprevisibles. Por tanto, antes de la calibración se debe realizar una prueba de fugas. La prueba de fugas más sencilla consiste en presurizar el sistema y dejar que la presión se estabilice durante un tiempo, y controlar que la presión no disminuya en exceso. Algunos sistemas de calibración (controladores de presión) pueden mantener la presión incluso en caso de fuga, si se dispone de un controlador que ajuste de manera dinámica la presión. En este caso, es difícil detectar cualquier fuga, por lo que el controlador debe tener cerradas totalmente sus válvulas para poder realizar una prueba de fugas en un sistema cerrado. El efecto adiabático también debe tenerse en cuenta en sistemas cerrados, en especial cuando se utiliza un gas como medio transmisor de la presión, tal como se explica en el siguiente apartado.
En un sistema cerrado con un gas como medio transmisor de la presión, la temperatura del gas afecta al volumen del gas, lo que a su vez tiene un efecto en la presión. Cuando la presión aumenta rápidamente, la temperatura del gas también aumenta, y esta temperatura más elevada hace que el gas se expanda, adquiera un volumen mayor y también una presión mayor. Cuando la temperatura empieza a enfriarse, el volumen del gas es cada vez menor y esto causará una pérdida de presión. Esta pérdida de presión puede parecer una fuga en el sistema, pero en realidad se debe al efecto adiabático causado por el cambio en la temperatura del gas. Cuanto más rápido cambia la presión, mayor es el efecto. El cambio de presión causado por este efecto se verá reflejado gradualmente a medida que se estabilice la temperatura. Por tanto, si se modifica la presión rápidamente, hay que dejar que se estabilice la lectura de presión durante un tiempo antes de determinar que hay una fuga en el sistema.
En especial en el caso de manómetros sensibles al par, no hay que ejercer una fuerza excesiva cuando se conecten los adaptadores de presión al manómetro, ya que este podría resultar dañado. Se recomienda seguir las instrucciones del fabricante en relación con el par de apriete permitido, así
como emplear las herramientas y los adaptadores correctos y los sellos apropiados.
Dado que los manómetros analógicos son instrumentos mecánicos, su posición afectará a la lectura. Por tanto, se recomienda calibrarlos en la misma posición en la que se utilizan en el proceso. También se deberían tener en cuenta las especificaciones del fabricante en cuanto a la posición de funcionamiento/montaje. Una especificación típica acerca de la posición/montaje es que un cambio de 5 grados en la posición no debería modificar la indicación del manómetro en más de la mitad (0,5 veces) de su clase de exactitud.
Para calibrar un manómetro, se deben tener los medios para poder aplicarle presión. Se puede hacer de distintas formas: se puede emplear una bomba manual generadora de presión, una botella con un regulador de presión o incluso una balanza de pesos muertos. Este último proporcionará una presión con gran exactitud y no se necesitará un calibrador o referencia para medir la presión, pero una balanza de pesos muertos es cara, no está diseñada para ser un dispositivo móvil, requiere mucha atención durante el uso y requiere de un mayor mantenimiento y limpieza que otros dispositivos. Es más habitual y práctico utilizar una bomba manual de generación de presión y un dispositivo con una buena exactitud de medición (calibrador) para medir la presión. Para generar la presión al manómetro a calibrar, también se puede utilizar un controlador de presión.
Debido a su estructura mecánica, un manómetro siempre tendrá cierta fricción durante su movimiento, y puede modificar su comportamiento con el paso del tiempo, así que es necesario ejercitarlo antes de la calibración. Este es especialmente el caso cuando no se ha aplicado presión al manómetro durante tiempo. Para ejercitarlo, hay que generar la presión máxima que es capaz de indicar el manómetro y mantenerla durante un minuto, luego hay que despresurizarlo totalmente y mantenerlo despresurizado durante un minuto. Debería repetirse este proceso 2 - 3 veces antes de iniciar el ciclo real de calibración.
La escala de los manómetros presenta una legibilidad limitada. Tiene marcas o divisiones de escala grandes y más pequeñas, pero resulta difícil leer con cierta exactitud el valor de presión cuando la aguja indicadora se encuentra entre las divisiones de la escala. Es mucho más fácil cuando la aguja se sitúa
exactamente en una división de la escala. Por consiguiente, se recomienda ajustar la presión de entrada de forma que la aguja quede exactamente en una división, y luego registrar la correspondiente presión de entrada aplicada. Si simplemente se suministra una determinada presión de entrada exacta al valor teórico a realizar y luego se intenta leer la lectura en la escala, dará lugar a errores debido a una inexactitud ya que se tiene una lectura limitada. Asimismo, es importante mirar la indicación perpendicularmente a la división del manómetro. Muchos manómetros con cierta exactitud incluyen un espejo reflectante a lo largo de la escala, detrás de la aguja indicadora. Este espejo ayuda en la lectura, debiendo leer el valor de modo que la reflexión de la aguja en el espejo se sitúe exactamente sobre sí misma. Entonces se puede tener la certeza que se está mirando perpendicularmente, es decir, en línea recta al manómetro.
El valor que muestra la aguja indicadora del manómetro situado a la izquierda de la imagen resulta difícil de conocer con exactitud porque la aguja indicadora se encuentra entre divisiones de la escala, mientras que el valor mostrado por la aguja indicadora del manómetro de la derecha es fácil de leer porque la presión aplicada está ajustada de modo que la aguja se sitúa exactamente sobre la división de la escala:
Para obtener una lectura con mayor exactitud es importante mirar al indicador perpendicularmente/en línea recta.
Si el manómetro es digital, la resolución (precisión numérica de la lectura) es completamente distinta. Podrá leer el indicador digital con la misma precisión numérica en todos los puntos de su rango.
Las diferentes clases de exactitud de los manómetros determinarán los distintos puntos de calibración a realizar. En el caso de los manómetros de mayor exactitud (por encima de 0,05%), debería utilizarse un «procedimiento de calibración exhaustivo» y la calibración debería efectuarse en 11 puntos de calibración en todo el rango (punto cero más saltos del 10%) con 3 ciclos de presión creciente y decreciente. Respecto a los manómetros de clase de exactitud media (de 0,05 a 0,5%), se debería utilizar un «procedimiento de calibración estándar» con 11 puntos, pero menos ciclos. Los manómetros con menor exactitud (de clase igual o superior a 0,5%) deben calibrarse
conforme al «procedimiento de calibración básico» con 6 puntos de calibración (punto cero más saltos del 20%) con presión creciente y decreciente. En la práctica, en ocasiones los manómetros se calibran con menos puntos de calibración. Más adelante se abordará la cuestión de la histéresis, pero para averiguarla, la calibración debería efectuarse con puntos de presión crecientes y decrecientes. Evidentemente, el número de puntos y ciclos de calibración depende también de la aplicación, la criticidad y el requisito de exactitud.
Una vez más, debido a su estructura mecánica, un manómetro puede presentar cierta histéresis. Esto significa que la indicación no es exactamente la misma cuando un punto de presión se aborda con una presión creciente en comparación con una presión decreciente. Para averiguar el valor de histéresis, el manómetro debe calibrarse con puntos de calibración crecientes y decrecientes, es decir, aumentar primero la presión y luego disminuirla. Durante esta acción, hay que asegurarse de que la presión se mueve únicamente en la dirección deseada. Por ejemplo, cuando se calibre con presión creciente, hay que asegurarse de no disminuir la presión en ningún punto durante el ajuste fino de la presión, ya que en este caso se perdería la información sobre la histéresis, o mejor dicho no se correspondería con la realidad. Si se excede el valor del punto objetivo con presión creciente, será necesario retroceder y luego volver a aumentar la presión hasta alcanzar el valor del punto objetivo.
En ocasiones un manómetro mecánico puede necesitar un golpe suave para asegurarse de que no presenta ninguna fricción ni pérdida de flexibilidad, sobre todo si no se ha utilizado con normalidad. Durante la calibración, una vez la presión de entrada esté estabilizada, se puede golpear suavemente el manómetro para ver si la indicación varía. Evidentemente, estos golpes deben ser suaves para no dañar el manómetro.
Durante la calibración, los ciclos de calibración se llevan a cabo varias veces para determinar la repetibilidad del manómetro que está siendo calibrado. Si dicho manómetro presenta una repetibilidad deficiente, ofrecerá resultados distintos durante los diferentes ciclos de calibración. Si se calibra realizando un único ciclo de calibración, se perderá la información sobre
repetibilidad y parte de la verdad. Como se ha mencionado anteriormente, los manómetros con mejor exactitud deberían calibrarse llevándose a cabo 3 ciclos de calibración. En la práctica, la repetibilidad suele comprobarse como un tipo de prueba para determinados tipos de instrumentos (marca/ modelo) y, una vez se conoce la repetibilidad típica, se lleva a cabo la calibración real con tan solo un ciclo de calibración, teniendo en cuenta la repetibilidad típica.
Si la calibración «As Found» (calibración previa a la reparación o ajuste) evidencia que el manómetro no se ajusta a los requisitos de exactitud, debe hacerse algo. En la mayoría de los casos, el manómetro debe ajustarse de modo que se sitúe dentro de los niveles de tolerancia permitidos. Tras el ajuste, el manómetro debe calibrarse de nuevo («As Left» o calibración tras la reparación o ajuste) a fin de verificar el estado en el que se ha dejado.
Si no se puede ajustar el manómetro en cuestión, puede calcularse un coeficiente de corrección y este coeficiente deberá tenerse en cuenta en el uso normal. Por supuesto, esto dificultará el uso.
Si el manómetro presenta un error importante, entonces es mejor repararlo o reemplazarlo y no intentar ajustarlo, ya que lo más probable es que no permanezca estable en el futuro.
Un aspecto crucial de la calibración es, evidentemente, documentar los resultados de la calibración en un certificado de calibración. El certificado debería documentar la presión aplicada y la indicación del manómetro, así como un cálculo de error (diferencia entre la presión aplicada y la indicación). Ciertamente, el certificado también debe contener otras informaciones, conforme a las normas y reglamentaciones aplicables, incluida la incertidumbre de la calibración.
Si se elabora un certificado de forma manual, significa que se escribe la indicación del manómetro y la presión aplicada en un papel y luego se calcula el error de forma manual. También se pueden emplear equipos que automatizan el proceso de calibración y elaboran la documentación, realizan los cálculos automáticamente, y transfieren los resultados a un software
de calibración instalado en un ordenador para guardarlos y/o imprimirlos.
Se puede obtener más información sobre qué es un calibrador-documentador en la siguiente publicación del blog: ¿Qué es un calibrador-documentador y qué ventajas ofrece su utilización?
La mayoría de manómetros tienen un efecto de temperatura específico que debería tenerse en cuenta. Es muy habitual calibrar el manómetro en una estancia a una temperatura normal, pero el manómetro puede utilizarse a una temperatura distinta en el proceso. Esta diferencia de temperatura puede causar diferencias en la exactitud del manómetro entre la calibración y su uso en el proceso. En el certificado de calibración deberían registrarse las condiciones ambientales (temperatura y humedad) observadas durante la calibración.
Como en cualquier calibración, debe asegurarse que el patrón de referencia que se está utilizando para medir la presión aplicada al manómetro tiene un certificado de calibración válido y que su calibración es trazable conforme a las normas nacionales pertinentes (trazabilidad metrológica).
Información más detallada sobre qué significa la trazabilidad metrológica en calibración en la siguiente publicación del blog: La trazabilidad metrológica en calibración.
En cualquier calibración, debería conocer la incertidumbre total de las mediciones de la calibración, de lo contrario el resultado no tendrá mucho valor. La sensibilización respecto a la incertidumbre de la calibración parece ser cada vez mayor y, además, cada vez se tiene más en cuenta en las normativas y reglamentaciones relevantes. En algunas áreas, se utiliza la TUR (relación de incertidumbre de la prueba) o TAR (relación de exactitud de la prueba) en lugar del cálculo de la incertidumbre. El propósito es garantizar que usted dispone de un calibrador (o patrón de referencia) que es varias veces más exacto que el instrumento objeto de la calibración, y si usted lo sabe, no deberá calcular la incertidumbre. Una de las relaciones más utilizadas es 1:4, que significa que las especificaciones del calibrador son cuatro veces mejores que las especificaciones del manómetro objeto de la calibración.
Cabe señalar que el uso de este método de la relación TUR/TAR no garantiza el conocimiento de todos los componentes de incertidumbre de su proceso de calibración, y se desconoce cuán buena es en realidad la calibración. Por tanto, el cálculo de la incertidumbre total de la calibración es el método más recomendado.
Se puede obtener más información sobre ello, así como ver realmente la necesidad de conocer la incertidumbre de las medidas mediante un enfoque práctico en la siguiente publicación del blog: Incertidumbre de la calibración para no matemáticos.
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Publicación original: How to calibrate pressure gauges - 20 things you should consider
Publicado: April 2017