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PRÁCTICA DE LABORATORIO N° 3 MEDICIÓN DE LA PRESIÓN DINÁMICA I.

OBJETIVOS DEL LABORATORIO i.

Objetivo General

 Realizar de forma experimental la medición de las presiones dinámicas a diferentes alturas del perfil de velocidades de un fluido, utilizando el manómetro diferencial y el manómetro en U. ii.

Objetivos Específicos

 Comparación, análisis y representación de los valores obtenidos del manómetro digital y manómetro en U.  Reconocer los factores que pueden alterar las medidas obtenidas con el instrumento y así aumentar el error.  Establecer las características de metrología en este experimento. II.

MARCO TEÓRICO i.

Presión La presión es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea., ésta solo se emplea cuando se trata de un gas o un líquido. La contraparte de la presión en los sólidos es el esfuerzo. Para el caso de los gases contenidos en un tanque, motivado a que su peso es demasiado pequeño, la presión se considera uniforme

Esquema; se representa cada "elemento" con una fuerza dP y un área dS ii.

Medida de presión. La presión es la magnitud escalar que relaciona la fuerza con la superficie sobre la cual actúa; es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la superficie. Para medir la presión correctamente se utilizan los siguientes conceptos: 1. Presión absoluta: Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidad molecular es muy pequeña.

2. Presión atmosférica: La presión atmosférica es la fuerza por unidad de superficie que ejerce el aire que forma la atmósfera sobre la superficie terrestre, esta varia con respecto a la altura sobre el nivel del mar. 3. Presión manométrica: Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un elemento que se define la diferencia entre la presión que es desconocida y la presión atmosférica que existe En determinadas aplicaciones la presión se mide, no como la presión absoluta sino como la presión por encima de la presión atmosférica, denominándose presión relativa, presión normal, presión de gauge o presión manométrica. Consecuentemente, la presión absoluta es la presión atmosférica (Pa) más la presión manométrica (Pm) (presión que se mide con el manómetro).

4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

iii.

iv.

v.

vi.

Ejemplo:

Figura 1: Unidades y escala para la medida de la presión Tubo de Pitot: El tubo de Pitot se utiliza para calcular la presión total, también denominada presión de estancamiento, presión remanente o presión de remanso (suma de la presión estática y de la presión dinámica). Presión estática: La presión estática es la que tiene un fluido, independientemente de la velocidad del mismo, y que se puede medir en la pared del tubo que conduce un fluido como el agua o el aire. Presión dinámica: Se puede decir que cuando los fluidos se mueven en un conducto, la inercia del movimiento provoca un incremento adicional de la presión estática al chocar sobre un área perpendicular al movimiento. La presión dinámica depende de la velocidad y la densidad del fluido. Presión total: es la suma de la presión estática y la presión dinámica. Si se desprecian perdidas por rozamiento, la presión total es constante entre dos puntos cercanos de una tubería horizontal, aunque esta cambie de sección.

vii.

Manómetros de tubo en U Está formado por un tubo de vidrio doblado en forma de U lleno parcialmente con un líquido de densidad conocida, uno de sus extremos se conecta a la zona donde quiere medirse la presión, y el otro se deja libre a la atmósfera.

viii.

Manómetro digital El manómetro digital es un dispositivo que integra en un mismo elemento tanto el sensor de presión (eléctrico o electromecánico) y un dispositivo electrónico que dotan al instrumento de diferentes funciones interesantes para el usuario (valores mínimos y máximos, cambio de resolución, cambios de unidad). En función del sensor utilizado el indicador digital debe tener una tecnología de medida integrada u otra. Los manómetros digitales tienen dos entradas de presión en las cuales se pueden conectar diferentes presiones y medir las diferentes presiones de dos cámaras.

ix.

Metrología Para medir la exactitud debemos comparar el valor promedio con el real, mientras que para medir la precisión debemos comparar las medidas con las medidas promedio Podemos definir:    

III.

Exactitud: Grado de cercanía de la lectura de un instrumento de medida respecto al valor verdadero de la variable medida. Precisión: Grado de repetibilidad de las mediciones. Sería la medida de la dispersión de medidas sucesivas respecto a la medida promedio de todas ellas Incertidumbre: grado de exactitud, seguridad o confianza con que fue hecha la medición. Error: Diferencia absoluta entre el valor verdadero y el valor medido

CUESTIONARIO: 1. ¿Qué es un manómetro diferencial y donde se aplica?

Es un instrumento que se utiliza para medir la presión entre 2 puntos; se aplica con mayor frecuencia en filtros en línea, para observar con mayor facilidad cuan obturado está el filtro, tomando como referencia la presión a la entrada y a la salida del filtro.

2. ¿Cuáles son las principales características del manómetro diferencial?        

Rango de medición máximo:49 PSI y menos Tipo de pantalla: Digital Pantalla: Dual LCD Precisión:0.3% FSO (25C) Repetibilidad:0.2% (Max0.5% FSO) Linealidad / Histéresis:0.29% FSO Presión máxima:10PSI (HT-1890) Tiempo de respuesta:0.5 s típico 3. ¿Por qué cree usted que se genera el error en este experimento?

Las diferencias en las medidas se dan principalmente por la mala lectura en el momento de conectar la tubería en el pin para la toma de las presiones estática y dinámica, este no calzaba correctamente, cuya consecuencia seria la perdida de presión por fuga de fluido además que la lectura variaba en el manómetro diferencial y nosotros tomamos como lectura el mayor valor, haciendo que la lectura tenga una tendencia al mayor error y también tenemos que tener en cuenta la toma de la medida de presión en la diferencia de altura entre el pistón y el del manómetro en U. 4. ¿Qué diferencia existe entre presión estática y dinámica? La presión estática es aquella fuerza que ejerce el fluido en un área establecida pero la presión dinámica es aquella donde las moléculas activas del fluido producen el movimiento de este, con una determinada velocidad.

IV.

ELEMENTOS A UTILIZAR: a. Equipo: Utilizaremos un túnel de viento o túnel aerodinámico el cual es una herramienta de investigación desarrollada para ayudar en el estudio de los efectos del movimiento del aire alrededor de objetos sólidos. Con esta herramienta se simulan las condiciones que experimentará el objeto de la investigación en una situación real, y en este caso evaluaremos las presiones con la ayuda de manómetros.

1. diafragma 2. sección de prueba 3. zona de contracción 4. entrada 5. difusor 6. Compresor (sistema de ventilación) 7. manómetro de tubo inclinado. 8. Generador eléctrico 9. Soporte 10. Manómetro de tubo en U

1. Diafragma Es una separación en forma de lámina movible o porosa que intercepta o regula la comunicación entre dos partes de determinadas máquinas y aparatos.

2. Sección de prueba Es la zona en la cual se realizarán la toma de datos de presión, ayudados por unos dispositivos a los cuales se le acoplarán las mangueras de los manómetros, indicándonos la variación de la altura del líquido en el interior.

3. Zona de contracción. Es una tobera, el cual es un dispositivo que incrementa la velocidad, es decir incrementa la energía cinética de un fluido a costa de la perdida de presión.

4. Entrada Es la parte en la cual se extraerá aire de la atmosfera para su posterior estudio. 5. Difusor Es un instrumento utilizado para reducir la velocidad de un fluido. 6. Compresor (sistema de ventilación). Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar a cierto tipo de fluidos, en este caso al aire.

7. Generador eléctrico Es la fuente de energía del compresor, varía de acuerdo a cada equipo.

8. Soporte Un soporte metálico para reducir las vibraciones y así reducir errores. 9. Manómetro de tubo en U: Este consistente en un tubo de vidrio de forma de U, parcialmente lleno de un líquido de peso específico conocido; cuando se conecta un extremo al punto de medida de presión, el líquido se eleva en una columna y cae en la otra; la diferencia entre los niveles es proporcional a la diferencia de presiones.

10. Manómetro Diferencial Digital: Descripción: Manómetro digital manómetro diferencial de LCD Manómetro 2Psi 13.79Kpa Tester Tools 11 Unidades seleccionables de escalas Características:  Medir la presión diferencial  Rangos de medición ± 13.79 kPa / ± 2 psi / ± 55.4 H2O  11 unidades de escala seleccionables: inH2O, psi, bar, mbar, kPa, inHg, mmHg, ozin2, FtH2O, cmH2O, kgcm2  Alta precisión ± 0.3% en escala completa  Gran pantalla LCD con luz de fondo  Ajuste cero de las funciones de compensación  Valores MAX / MIN / AVG con marcas de tiempo relativas  Retención de datos  Códigos de error para indicación de fuera de rango  Indicación de batería baja  Apagado automático (se puede desactivar)  2 pares de tubos incluidos Parámetros de trabajo:  Rango de medición: ± 13.79 Kpa  Precisión: + 0.3% FSO (25 ° C)  Repetibilidad: + 0.2% (Max +/- 0.5% FSO)  Linealidad / Histéresis: + 0.29% FSO  Presión máxima: 10psi  Tiempo de respuesta: 0.5 segundos  Indicador de bajo rango: Err.1  Bajo indicador de rango: Err.2  Condiciones de funcionamiento: 32 ° F a 122 ° F (0 a 50 ° C)  Condiciones de almacenamiento: 14 ° F a 140 ° F (-1 a 60 ° C)  Fuente de alimentación: 1 batería de 9V (no incluida)

b.     V.

Instrumentos. - Además de estos instrumentos también necesitaremos: Jeringa: para llenar de líquido los manómetros. Cinta: para sellar o fijar, en caso de presentarse la ocasión. Recipiente, para acumular los excesos de líquido en los manómetros. EPPs, para este experimento es indispensable el uso de protectores auditivos.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

i. ii.

iii.

iv. v. vi.

vii.

Primero identificamos el manómetro patrón como el manómetro diferencial digital. Se enciende y se manipula colocándolo en las unidades que se van a utilizar. Modificaremos el ángulo del diafragma en el túnel de viento girándolo manualmente y ajustamos para que se quede estático. Cualquier modificación en el túnel de viento se debe realizar con el equipo apagado. Realizamos la primera medición en vacío para observar si todo está en correcta posición. Las mediciones con los dos equipos serán de la presión estática y dinámica colocando las mangueras en entradas seleccionadas del túnel de viento, conectando dos mangueras si se mide la presión dinámica y una sola en el caso de la presión estática. Procedemos al accionamiento del equipo, siempre tomando en cuenta la seguridad y el protocolo de manejo de la máquina. Tomamos las medidas en el manómetro en U considerando la diferencia de altura entre los dos tubos con fluido. Tomamos las medidas requeridas con el manómetro patrón, para ello las mangueras deben entrar a presión y se conectan lentamente para evitar una succión brusca y que haya cambios considerables al momento de la medición y apagamos el equipo. Finalmente toma de datos:

Presión Estática ángulo diafragma Manómetro diferencial (cmH2O) Nº H 12.9 1

60° tubo en U (mmH2O) 1er tubo 2do tubo 20 -90

H 110

60° tubo en U (mmH2O) 1er tubo 2do tubo 2 -70 8 -76 16 -86 16 -88

H 72 84 102 104

Presión Dinámica: ángulo diafragma Manómetro diferencial (cmH2O) Nº H 0.9 1 -3 2 3.1 3 2.4 4

VI.

ANALISIS DE DATOS

N° ESTATICA 1’ 1 DINAMICA 2 3 4

Tubo en U (mm) inicio fin H(mH2O) 20 -90 0.11 2 -70 0.072 8 -76 0.084 16 -86 0.102 16 -88 0.104

Manómetro patrón H (cmH2O) H (mH2O) -12.9 0.129 0.9 0.009 -3 0.03 -3.1 0.031 2.4 0.024

Hallaremos la presión con los datos obtenidos.

𝑚 𝑠2 𝑘𝑔 𝜌 = 998.2 3 𝑚 𝑔 = 9.7773

La Presión la hallamos: 𝑃 =𝜌∗𝑔∗ℎ

ESTATICA DINAMICA

Nº de medición 1’ 1 2 3 4

Presión del tubo en U (Pa) 1073.57 702.70 819.81 995.49 1015.01

Presión del manómetro digital (Pa) 1259.0 87.83 292.79 302.55 234.23

PRESION ESTATICA Calculo del error en la primera medición: Nº de medición 1’

Presión del manómetro inclinado (Pa) 1073.57

Presión del manómetro digital (Pa) 1259.0

 Error absoluto.

 Error relativo.

𝐸𝑎𝑏𝑠 = |𝑉𝑣 − 𝑉𝑒𝑥𝑝 | 𝐸𝑎𝑏𝑠 = |1259 − 1073.57| 𝐸𝑎𝑏𝑠 = 185.43 𝑃𝑎 𝐸𝑎𝑏𝑠 ∗ 100% 𝑉𝑣 185.43 𝐸𝑟 = ∗ 100% 1259 𝐸𝑟 = 14.73% 𝐸𝑟 =

 Representación científica.

𝑉𝑒𝑥𝑝 ± 𝐸𝑎𝑏𝑠 1073.57 𝑃𝑎 ± 185.43 𝑃𝑎

PRESION DINAMICA Calculo del error en la segunda medición: Nº de medición 1

Presión del tubo en U (Pa) 702.70

Presión del manómetro digital (Pa) 87.83

 Error absoluto.

 Error relativo.

𝐸𝑎𝑏𝑠 = |𝑉𝑣 − 𝑉𝑒𝑥𝑝 | 𝐸𝑎𝑏𝑠 = |87.83 − 702.70| 𝐸𝑎𝑏𝑠 = 614.87 𝑃𝑎 𝐸𝑎𝑏𝑠 ∗ 100% 𝑉𝑣 614.87 𝐸𝑟 = ∗ 100% 87.83 𝐸𝑟 = 700.07% 𝐸𝑟 =

 Representación científica.

𝑉𝑒𝑥𝑝 ± 𝐸𝑎𝑏𝑠 702.70 𝑃𝑎 ± 614.87 𝑃𝑎 Calculo del error en la segunda medición: Nº de medición 2

Presión del tubo en U (Pa) 819.81

Presión del manómetro digital (Pa) 292.79

 Error absoluto.

 Error relativo.

𝐸𝑎𝑏𝑠 = |𝑉𝑣 − 𝑉𝑒𝑥𝑝 | 𝐸𝑎𝑏𝑠 = |292.79 − 819.81| 𝐸𝑎𝑏𝑠 = 527.02 𝑃𝑎 𝐸𝑎𝑏𝑠 ∗ 100% 𝑉𝑣 527.02 𝐸𝑟 = ∗ 100% 292.79 𝐸𝑟 = 179.99% 𝐸𝑟 =

 Representación científica.

𝑉𝑒𝑥𝑝 ± 𝐸𝑎𝑏𝑠 819.81 𝑃𝑎 ± 527.02 𝑃𝑎

Calculo del error en la tercera medición: Nº de medición 3

Presión del tubo en U (Pa) 995.49

Presión del manómetro digital (Pa) 302.55

 Error absoluto.

 Error relativo.

𝐸𝑎𝑏𝑠 = |𝑉𝑣 − 𝑉𝑒𝑥𝑝 | 𝐸𝑎𝑏𝑠 = |302.55 − 995.49| 𝐸𝑎𝑏𝑠 = 692.94 𝑃𝑎 𝐸𝑎𝑏𝑠 ∗ 100% 𝑉𝑣 692.94 𝐸𝑟 = ∗ 100% 302.55 𝐸𝑟 = 229.03% 𝐸𝑟 =

 Representación científica.

𝑉𝑒𝑥𝑝 ± 𝐸𝑎𝑏𝑠 995.49𝑃𝑎 ± 692.94 𝑃𝑎 Calculo del error en la cuarta medición: Nº de medición 4

Presión del tubo en U (Pa) 1015.01

Presión del manómetro digital (Pa) 234.23

 Error absoluto.

 Error relativo.

𝐸𝑎𝑏𝑠 = |𝑉𝑣 − 𝑉𝑒𝑥𝑝 | 𝐸𝑎𝑏𝑠 = |234.23 − 1015.01| 𝐸𝑎𝑏𝑠 = 780.78 𝑃𝑎 𝐸𝑎𝑏𝑠 ∗ 100% 𝑉𝑣 780.78 𝐸𝑟 = ∗ 100% 234.23 𝐸𝑟 = 333.34% 𝐸𝑟 =

 Representación científica.

𝑉𝑒𝑥𝑝 ± 𝐸𝑎𝑏𝑠 1015.01 𝑃𝑎 ± 780.78 𝑃𝑎

VII.

CONCLUSIONES

 Se realizó la medición de la presión dinámica a lo largo del perfil de velocidades para un fluido compresible, en este caso aire, y se observó la diferencia entre la presión en el tubo Pitot y la presión tomada en la pared del túnel de viento.  Se comparan y analizan los resultados del experimento gracias al uso de la teoría del error, con la cual hemos aprendido a identificar los errores que se suscitan en la toma de mediciones durante los experimentos, los cuales son:

 De acuerdo al error relativo podemos concluir que existe errores sistemáticos, ya sea por presencia de fugas en la unidad, fricción, presencia de material no deseado en la manguera que contiene el fluido y las impurezas, tiempo de vida en el instrumento de medida, o también nuestro error de medida al ver en el equipo por la rapidez de la experimentación.  Hallamos algunas medidas metrológicas, las cuales se encuentran en la parte de comparación de medidas, pero no damos con la sorpresa que algunas que no se pueden hallar por la causa de no tener un manómetro patrón más preciso.