Desarrollo de un patrón dinámico para evaluar el desempeño metrológico de los transductores de presión con salida eléctrica
tesis doctoral
Fecha
2022-05Autor
Díaz Tey, Alberto Juan
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Mostrar el registro completo del ítemResumen
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. This doctoral thesis analyzes the conceptual and practical problems associated with the development of a dynamic pressure standard to calibrate pressure transducers with low amplitude electrical outputs: between 0.28 and 4.22 dbar, and low frequency: from 0.05 down to 0.39 Hz, typical of the climate of the Costa Rican Central Pacific Ocean. The replacement of the stationary calibration approach by the dynamic calibration approach required the development of a set of dynamic pressure generators, which would allow the "realization" of the definition of dynamic pressure. The term "realization" refers to the reproduction of dynamic pressure not from its definition but through the construction of "... a highly reproducible standard based on a physical phenomenon". When choosing between periodic and aperiodic pressure generation, the literature consulted establishes that “… it is likely the convenience of choosing pressure generation similar to the real measurement situation”, however, some authors prefer to use aperiodic pressure generators because the associated calibration is reduced to a single test in which, according to the underlying mathematical theory, all the required frequency information can be determined. For that reason, the second approach was used, developing a measurement system based on the theory of the normal shock wave, and the shock tube as a technological means of its application but adjusted to the range of application of interest for the project: in this case, the generator of periodic pressure disturbances is only a means of verifying the frequency response of the measurement system previously evaluated in the shock tube. The atypical range of its application, plus the use of pressure transmitters with a built-in measurement chamber with resistive sensors (dynamic pressure laboratories use pressure transducers with exposed piezoresistive sensors), required an extensive validation of their performance parameters. Considering that there are no internationally recognized dynamic pressure standards as a source of metrological traceability, the performance of the pressure measurement system was compared in the first prototype developed: TC-01-(0.4 / 2), and in the TC10 shock tube, that conforms to the dynamic pressure standard of France, deposited in custody in the Laboratory of Dynamic Measurements of the École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers in Paris. From the results obtained, the designs were improved until reaching the TC-02-(0.6/2) shock tube prototype, validated in two manometric pressures of the air disturbed by the first reflection of a transonic shock wave (Ms = 1,020 7): 1.93 dbar and 3.45 dbar, resulting from the bursting of two diaphragms of aluminum sheets with thicknesses 10,2 μm and 14,7 μm respectively. The validation results demonstrated the ability to reproduce both pressures in a stable manner for 2,900 ms, with a maximum intermediate precision equal to 0,033 dbar and a bias no greater than 2.88% when the air is dried up to approximately 20%. These performance parameters of the shock tube prototype allow the coefficients of the characteristic equation of a pressure transmitter with a metal sensor mounted on a ceramic diaphragm to be experimentally calculated using the Levenberg-Marquardt numerical method. The fitted coefficients of the characteristic equation carry the frequency information required to estimate the behavior of the pressure transmitter when it is subject to periodic disturbance. The dynamic performance of the pressure transmitter exposed to a periodic disturbance was established in the GDP-02-A prototype, which is a pneumatic generator based on the control volume method and capable of generating a periodic signal similar to a triangular one, whose deviation was adjusted by the linear regression method. The GDP-02-A prototype was validated in the frequency range from 0,883 6 Hz to 0,983 1 Hz, demonstrating that the amplitude of the reproduced signal was insensitive to frequency, so that the amplitude of the fundamental harmonic is practically the dominant one: 0,168 7 for 0.883 6 Hz and 0,038 8 for 0.983 1 Hz, for an average total distortion equal to 35.24%. The insensitivity of the reproduced signal in the established frequency range justified the steadystate calibration of a data acquisition system used to measure the height of the gravitational wave, and verify its metrological performance in both the GDP-02-A pneumatic prototype and in the wave channel with “fresh” water, using the adjustment coefficients.