Desarrollo de un patrón dinámico para evaluar el desempeño metrológico de los transductores de presión con salida eléctrica - Díaz Tey, Alberto Juan (2022)
Esta tesis doctoral analiza los problemas conceptuales y prácticos asociados con el desarrollo de un patrón de presión dinámica para calibrar transductores de presión con salidas eléctricas de baja amplitud (entre 0,28 y 4,22 dbar), y baja frecuencia (desde 0,05 hasta 0,39 Hz), típicas de la climatología del Océano Pacífico Central costarricense. La sustitución del enfoque de calibración estacionario por el de calibración dinámica requirió del desarrollo de un conjunto de generadores dinámicos de presión, que permitiera la “realización” de la definición de la presión dinámica. El término "realización" está referido a la reproducción de la presión dinámica, no a partir de su definición, sino mediante la construcción de "... un patrón altamente reproducible basado en un fenómeno físico". Al elegir entre la generación de presión periódica y aperiódica, la literatura consultada establece que “… es probable la conveniencia de elegir la generación de presión similar a la situación de medición real”, sin embargo, algunos autores prefieren utilizar los generadores de presión aperiódica porque la calibración asociada se reduce a una sola prueba en la que, según la teoría matemática subyacente, toda la información de frecuencia requerida puede ser determinada. Por la razón anterior, se utilizó el segundo enfoque, desarrollándose un sistema de medida basado en la teoría de la onda de choque normal, y el tubo de choque como medio tecnológico de su aplicación, pero ajustado al rango de aplicación de interés para el proyecto: en este caso, el generador de perturbaciones periódicas de presión solo es un medio de verificación de la respuesta en frecuencia del sistema de medida, evaluado previamente en el tubo de choque. Lo atípico del rango de su aplicación más el uso de transmisores de presión con cámara de medida incorporada con sensores resistivos (los laboratorios de presión dinámica utilizan transductores de presión con sensores piezorresistivos expuestos), obligó a realizar una extensa validación de sus parámetros de desempeño. Considerando que no existen patrones dinámicos de presión reconocidos internacionalmente como fuente de trazabilidad metrológica, se comparó el desempeño del sistema de medida de presión en el primer prototipo desarrollado: TC-01-(0.4/2), y en el tubo de choque TC10, que conforma el patrón de presión dinámico de Francia, depositado en custodia en el Laboratorio de Mediciones Dinámicas de la École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers de París. A partir de los resultados obtenidos, se mejoraron los diseños hasta alcanzar el prototipo de tubo de choque TC-02-(0.6/2), validado en dos presiones manométricas del aire perturbado por la primera reflexión de una onda de choque transónica (Ms = 1,020 7): 1,93 dbar y 3,45 dbar, resultantes del estallido de dos diafragmas de láminas de aluminio de espesores 10,2 y 14,7 micrómetros, respectivamente. Los resultados de la validación demostraron la capacidad de reproducir ambas presiones de manera estable durante 2,900 ms, con una precisión intermedia máxima igual a 0,033 dbar y un sesgo no mayor a 2,88 % cuando el aire es secado hasta aproximadamente 20 %. Estos parámetros de desempeño del prototipo de tubo de choque permiten calcular experimentalmente los coeficientes de la ecuación característica de un transmisor de presión con sensor metálico montado en un diafragma cerámico, utilizando el método numérico de Levenberg-Marquardt. Los coeficientes ajustados de la ecuación característica portan la información de frecuencia requerida para estimar el comportamiento del transmisor de presión, cuando está sujeto a una perturbación periódica. El desempeño dinámico del transmisor de presión ante una perturbación periódica se estableció en el prototipo GDP-02-A, que es un generador neumático basado en el método de volumen de control y capaz de generar una señal periódica similar a una triangular, cuya desviación fue ajustada por el método de regresión lineal. El desempeño del prototipo GDP-02-A se validó en el rango de frecuencia desde 0,883 6 hasta 0,983 1 Hz, demostrándose que la amplitud de la señal reproducida fue insensible a la frecuencia, de manera que la amplitud del armónico fundamental, prácticamente es el dominante: 0,168 7 para 0,883 6 Hz y 0,038 8 para 0,983 1 Hz, para una distorsión total promedio igual a 35,24 %. La insensibilidad de la señal reproducida en el rango de frecuencias establecido, justificó la calibración en régimen estacionario de un sistema de adquisición de datos utilizado para medir la altura del oleaje gravitacional y verificar su desempeño metrológico, tanto en el prototipo neumático GDP-02-A como en el canal de oleaje con agua “dulce”, utilizando los coeficientes de ajuste.