En el campo de la medición de fugas, actualmente se conocen y utilizan ampliamente dos tipos de instrumentación de caída de presión: los que tienen caída absoluta, o relativa, y los que tienen caída diferencial por pieza de muestra.
Aunque la calidad de la medición de los dos tipos de equipos está descrita y catalogada en la norma, el campo de aplicación de uno u otro método no siempre es claro y bien definido, tanto es así que en la mayoría de los casos prácticos los dos sistemas se solapan.
Esto se debe también a que, con el tiempo, las tecnologías y los componentes han evolucionado; los esquemas básicos se han enriquecido cada vez más, tanto en el software de gestión como en lo que respecta a variantes, opciones y módulos neumáticos no previstos en los circuitos originales. Volúmenes de muestra, reguladores electrónicos, condensadores, generadores de vacío, pliegues principales, casas isobáricas o coaxiales, han sido añadidos al equipo para mejorar su eficacia y fiabilidad.
Si históricamente los sistemas diferenciales nacen con la doble finalidad de aumentar la resolución de la caída de presión y de compensar la tendencia térmica de la pieza en medida, también es cierto que con el tiempo la tecnología ha mejorado exponencialmente en cuanto a la adquisición de cálculo de tensión y de transductores electrónicos, aumentando al mismo tiempo la calidad de los sistemas con caída absoluta.
Un paralelismo tecnológico es posible en el campo de la medición de peso comparando las básculas de empuje o dinamométricas con las básculas de peso estándar de tipo estadera. Aunque las básculas comparativas pueden parecer infalibles en cuanto a precisión, con el tiempo estos sistemas han dejado espacio para la medición de puentes de bandas extensométricas que, gracias a la electrónica, desde hace varias décadas ha superado por precisión y facilidad de uso a cualquier otro sistema mecánico anterior, reduciendo los costes, el mantenimiento, las piezas mecánicas y aumentando la eficiencia y la fiabilidad.
Como en un sistema de dosificación gravimétrica, incluso en un sistema de medición de pérdida de carga el factor de solución de medición juega un papel clave en la calidad de la aplicación, quizás incluso más que la característica de precisión global a largo plazo.
En términos numéricos, refiriéndose a los datos técnicos en la web declarados por los diferentes fabricantes de leak testers, se puede ver que la norma ahora difundida es la de asegurar una resolución de 0,1 Pa hasta 16 bar para los sistemas diferenciales, ya que se reduce a 3 bar para los medidores de decaimiento absoluto.
Esto significa que instalando un transductor, por ejemplo con una escala de +/- 50 milibares, en un sistema diferencial y comparándolo con la presión directa de un medidor de caída absoluta con una escala máxima de 3000 milibares, las dos mediciones en términos de resolución de Δp/Δt funcionan de la misma manera. Si en cambio instaláramos un transductor de 6 bar en el sistema absoluto, la resolución empeoraría el doble, es decir, se duplicaría hasta unos 0,2 Pa por división.
Considerando el limitado beneficio en términos de adquisición, es evidente que los sistemas diferenciales, a la luz de la mayor complejidad mecánica, contribuyen a aportar beneficios sobre todo en la compensación de la medición en términos de temperatura y tensión mecánica de la pieza, más que en términos de precisión de la caída de presión.
Detallado en este aspecto de la resolución, son necesarias algunas consideraciones puramente técnicas.
La primera es que, en la práctica de las miles de aplicaciones resueltas por ForTest, alrededor del 90% está dentro de la presión de 6 bar, mientras que el 60% está dentro de los 3 bar de la prueba. Por lo tanto, aunque la diferencia de beneficios ya es mínima, en más de un caso de cada dos no hay ningún beneficio, ni siquiera teórico, en términos de resolución en el uso de un medidor diferencial.
Además, en aplicaciones de más de 6 bar no es aconsejable establecer un umbral de pérdida cerca del final de la resolución del medidor. Al contrario, es evidente que cuanto más alta es la presión de prueba, más aumenta proporcionalmente el decaimiento a medir. En realidad, a presiones superiores a 8 bar se desaconseja fuertemente fijar Δp por debajo de 100 Pa; en este tipo de régimen tener una resolución de 0,1 o 0,2 Pa no cambia nada, excepto en el aspecto publicitario.
La última consideración es que estos datos de resolución se miden normalmente a cero, es decir, se comparan con las primarias a presión ambiente. En la práctica, se conoce poco, excepto en los ensayos de laboratorio realizados con fugas y volúmenes de muestra a presión de ensayo real, del comportamiento real en términos de histéresis de resolución. Es decir que cualquier membrana, tanto absoluta como diferencial, sometida a una presión de offset (o modo común en el caso de la diferencial) está inevitablemente sometida a un ruido mecánico y a un estrés que en las condiciones de certificación no se consideran.
Obviamente la calidad del transductor diferencial, siendo el “corazón” de estos sistemas, define en gran medida la calidad metrológica de los dispositivos en el mercado así como la fiabilidad en términos de robustez a los picos de presión y la compatibilidad con el aire húmedo o contaminado o las piezas de prueba presentes en la prueba.
Si a lo largo de los años la tecnología de transducción y digitalización de las señales de fuerza y presión ha acercado considerablemente las características de los distintos sistemas de medición, al menos en lo que respecta a la resolución, es igualmente cierto que los problemas en cuanto a la compensación de las variaciones térmicas y mecánicas han permanecido iguales. En este escenario, los sistemas diferenciales siguen desempeñando un papel importante.
Analizando las mediciones de caída de presión diferenciales simétricos, en comparación con esta pieza de muestra, todavía tenemos dos casos, opuestos entre sí, en los que los medidores de fugas absolutos están en desventaja. Se trata de los casos de pruebas en piezas de muy pequeño volumen con una productividad muy alta (válvula de neumático, accesorios, componentes biomédicos, etc.), donde el tiempo de ciclo es el maestro y la velocidad de medición es un parámetro preponderante, y los casos de grandes volúmenes de pruebas, donde las derivas y la elasticidad de la temperatura afectan demasiado claramente para no ser compensadas.
De hecho, en ambos casos, los sistemas de medición alternativos han mostrado soluciones más adecuadas que los medidores diferenciales. Por ejemplo, sistemas de recuperación de conformidad o interceptación en la campana para pequeños volúmenes y flujo de masa para grandes piezas.
La investigación actual se está llevando a cabo en el área de la mejora de la aplicación de los sistemas diferenciales. En esta visión, el equilibrado de piezas de muestra es en lo que nos estamos centrando. También porque los conceptos de medición absoluta, diferencial y dual son en realidad transversales a los diversos tipos y aplicables de diferentes maneras a los principios físicos de los transductores utilizados.
En lo que respecta a las mediciones en piezas de pequeño volumen, con el fin de contener los tiempos de prueba (por ejemplo, 1,2s ciclo total de inicio a fin, prueba de 1cc, fuga = 10 cc/h @ 2bar) y aunque la medición absoluta goza de un rango dinámico muy alto y no requiere los largos tiempos de estabilización que requieren los diferenciales, observamos que el equilibrado mecánico del transductor diferencial es en realidad aún más inmediato y rápido que los sistemas duales.
Esto significa que con un tiempo tan corto (típicamente 100/200 ms) de duración de la adquisición del decaimiento Δp/Δt, incluso pequeños desplazamientos de fase de la señal de las dos membranas, o sus resonancias, dan lugar a grandes errores de medición globales. Tales errores son realmente inexistentes cuando el ancho de banda está contenido por debajo de 100 Hz en las pendientes de la señal, es decir, con tiempos de Δp/Δt superiores a medio segundo. Sin embargo, en estos casos “ultra rápido” en aplicaciones de microvolumen se prefieren ciertamente los circuitos neumáticos diferenciales tradicionales, aunque revisados con microválvulas, transductores y pequeños tubos tanto como sea posible.
En estas condiciones particulares de microvolumen, el descenso de la presión que se produce en caso de fuga es siempre de gran magnitud, la aplicación de transductores también de bajo volumen muerto como MEMS o puentes de estado sólido, en lugar de los transductores capacitivos, simplifica los problemas de rotura y fiabilidad, además de garantizar una escala de medición muy dinámica, aunque con una resolución más limitada.
Este es el caso opuesto a la medición de piezas de gran volumen, donde es necesario tener mediciones tan estables e inmunes a todo tipo de ruido y derivas, incluso a expensas del ancho de banda. Aquí la resolución y la estabilidad en las mediciones de hasta 60/120 segundos son las características especiales.
En todos los casos de medición directa, hay que recordar que la relación de fuga es siempre inversamente proporcional a la caída de presión Δp/Δt. En estos casos, es mejor haber diseñado todos los bits de conversión posibles que ofrecen los componentes AD, así como mayores filtros e inmunidades EMC.
Independientemente de las condiciones de las piezas pequeñas, el escenario físico y neumático de la medición de piezas con grandes volúmenes es muy diferente, es decir, en los casos en los que se requiere sensibilidad, ya impulsada por tamaños superiores a 250 cc. En este contexto, todos los fabricantes de equipos de medición, incluido ForTest, han investigado sistemas para ayudar en el uso de piezas de muestra de referencia.
Gran parte de la tecnología basada en algoritmos software prevé la caracterización de las pruebas consideradas "bueno" o dentro de una banda de extrema seguridad, de manera de recrear en un "antitransiente" de manera un offset dinámico y poder ajustar continuamente un Compensación de Offset Dinámico sobre la medición (DOC). Todos los sistemas ya ampliamente utilizados como algoritmos de auto-cero de los sistemas de pesaje más populares, que de hecho sólo se adaptan parcialmente a los problemas más amplios de los complejos procesos de pruebas de fugas.
La desventaja de estos sistemas y soluciones alternativas
La principal desventaja de estos sistemas de corrección de desfase es la incapacidad de dividir y corregir varios errores uno por uno. A pesar de lo efectivas que son estas compensaciones automáticas, pueden proporcionar ayuda si se usan en pequeños porcentajes del punto de ajuste, ya que se usan sólo con el propósito de perseguir variaciones lentas / muy lentas de error. En general, sin embargo, la medición global se ve corrompida por varios fenómenos espurios debido a la superposición de varios factores como los movimientos mecánicos, el estrés de los materiales, la elasticidad de los accesorios que se conectan a las piezas y sólo en parte por la variación de la temperatura ambiente.
Otros sistemas ampliamente utilizados permiten muestrear a través de las sondas de temperatura la tendencia de los factores ambientales, creando una compensación del desfase en términos de Pa/Grado Centigrado (DOCT). En esta modalidad, después de un período de análisis de pruebas prácticas en producción, es decir, la adquisición en formato Excel de las mediciones correlacionándolas con las temperaturas medidas, introducimos un factor de corrección a la medición para compensar las fluctuaciones de temperatura.
Aunque son más laboriosos en la fase de desarrollo, estos algoritmos tienen la ventaja de compensar únicamente el fenómeno térmico y, por lo tanto, evitar una acumulación excesiva de fenómenos a corregir.
En todos los casos, una balanza a través de una pieza de muestra o un émulo de referencia ayuda enormemente a la estabilidad y a la repetibilidad de la medición, aunque sólo sea en lo que respecta a la adquisición de las condiciones térmicas ambientales.
Hay que tener en cuenta que los medidores diferenciales de fugas se utilizan comúnmente en tres configuraciones prácticas, que se pueden resumir genéricamente como:
Diferencial asimétrico, es decir, con el lado de referencia bloqueado por una tapa. Se trata de una simplificación en la fase de instalación para hacerla equivalente a un sistema absoluto.
Diferencial de centro-cero, diseñado para medir dos piezas a la vez.
Diferencial simétrico, el verdadero comparador equilibrado, donde el lado de referencia está conectado a una pieza de muestra hermética.
Ahora analizamos los beneficios de utilizar las piezas de muestra de referencia de varias maneras.
De estos tres esquemas de uso, el simétrico con pieza de muestra es el método que proporciona las mejores respuestas en términos de precisión, repetibilidad y especialmente rechazo al ruido generado por la temperatura y el estrés mecánico.
En las aplicaciones de microvolumen, donde por lo tanto la masa térmica preponderante y los elementos de dilatación son en la práctica los tubos que se conectan a la pieza, el uso de un circuito de referencia lo más parecido posible al lado de medición permite equilibrar perfectamente el sistema y corregir, además de la temperatura, también la dilatación de los dos lados del circuito (Prueba y Referencia), ya que las pequeñas piezas de prueba son generalmente rígidas. En estos casos, un simple tubo idéntico sellado en el lado de referencia y de la misma longitud que el conectado al Test es más que suficiente para obtener tanto una excelente repetibilidad como drásticas reducciones de los tiempos de asentamiento. En el caso de las piezas metálicas, un racor ciego como tapón en el extremo del tubo de referencia asegura una función de captación de la temperatura, mejorando aún más la aplicación.
Esto ya no es cierto en el segundo caso de utilización de un calibre diferencial, es decir, en las aplicaciones más frecuentes de comprobación de piezas con volúmenes ya mayores que los volúmenes muertos de las tuberías de conexión. Para complicar el escenario, ya de por sí complejo, se plantean problemas relacionados con los esfuerzos mecánicos de las piezas y la generación endógena de temperaturas parásitas cuando se repiten las pruebas en una misma pieza.
De hecho, en el uso práctico de las partes de la muestra y en contraste con la compensación de medición deseada, se observa que la variación del volumen debido a la expansión de las dos partes bajo prueba introduce a su vez errores en la medición. Considérese que en un sistema de decaimiento de presión diferencial, comúnmente destinado a la producción industrial con un alto índice de funcionamiento, la expansión mecánica de la pieza bajo ensayo se limitará únicamente a la operación de medición, mientras que el estrés mecánico sobre la pieza de muestra de referencia se acumulará durante todo el tiempo que el aparato esté en uso a un número indefinido de veces, lo que conduce a todos los efectos de una deriva continua en el comportamiento de las dos partes ya después de 15/30 minutos de trabajo a régimen constante.
En estos casos la expansión de los tubos o circuitos en el interior de la instrumentación ya no es predominante, como en el caso de las aplicaciones en microvolúmenes, sino que son las propias piezas las que crean el error de repetibilidad.
Analógicamente, debido a la continua presurización y vaciado de sólo la pieza de muestra de referencia, existe una creciente acumulación térmica tal que desencadena fenómenos endógenos que frustran en gran medida la compensación de la medición, creando derivas no deseadas.
En la práctica, los estudios empíricos han demostrado que una pieza metálica de 300 cc con un volumen de 300 cc sometida a una presión de 2 bar respecto a ella necesita al menos 20 minutos para restablecer las condiciones de elasticidad y temperatura de quietud, es decir, para reaparecer dentro de un margen de repetibilidad del 10% respecto a la primera prueba realizada.
Por este motivo, el concepto de apparente repetibilidad se ha introducido con el tiempo en el uso de los medidores de pérdida de carga por decaimiento de la presión diferencial, es decir, el fenómeno de la buena repetibilidad al realizar mediciones repetidas en la misma pieza, estabilidad de la medición por gramo que luego no se mantiene durante el uso práctico en la producción.
El nacimiento de los sistemas absolutos duales
Para superar todos estos problemas de deriva y tensión de las piezas de referencia, nacieron los sistemas absolutos duales. En una primera versión, o mejor dicho durante las fases de experimentación, estos sistemas se presentaron como simples kits para la ampliación y modificación de los dispositivos absolutos y diferenciales normales. A través de una válvula neumática de tres vías, se introdujo entonces un procedimiento de muestreo, es decir, " autoaprendizaje" de los DOC en forma automática, con frecuencias de tiempo suficientemente rápidas para seguir la evolución de la temperatura ambiente, pero dejando suficiente tiempo para descansar en el lado de referencia para volver a la condición de elasticidad inicial, es decir, la condición de elasticidad real que se debe comparar con las piezas de producción que se están probando. Los mismos sistemas son utilizados esporádicamente por varios fabricantes para muestrear los factores ambientales (Tamb y Pamb) utilizando boquillas de muestreo y para compensar convenientemente las mediciones de flujo volumétrico.
En el caso de la medición de la presión, a lo largo del tiempo se ha comprobado que, gracias a una combinación exitosa de factores positivos y todos en la misma dirección de mejora de los productos y la economía, la creación de dos ramas simétricas de medición absoluta independientes entre sí pero regidas por diferentes modos de software ha llevado a una mejora sin precedentes de todos los tipos de medición.
Como puede adivinar, además de mejorar la medición simétrica, ha descubierto la posibilidad, gracias a diferentes métodos de gestión de pruebas, de mejorar significativamente tanto la medición central del cero como el tipo asimétrico.
Desde que se ha considerado el sistema más“pobre”, gracias a las mejoras en la adquisición y la transducción ya expuestas, los medidores de decaimiento absoluto han alcanzado una creciente popularidad, ahora comúnmente flanqueados tanto por diferenciales como por flujo másico.
Este éxito se debe en gran medida no sólo a la calidad real de la medición, sino también a una enorme simplicidad, robustez y fiabilidad de mantenimiento y uso en comparación con cualquier otro medidor de fugas en el ámbito industrial. Lejos del concepto básico de plc, válvula y transductor de presión, a través del desarrollo metódico de hardware y firmware a lo largo del tiempo hemos conseguido obtener máquinas precisas y versátiles, con un enfoque más inmediato del procedimiento de prueba de fugas.
È de hecho, es necesario recordar siempre el ámbito de utilización de estos aparatos (que no es generalmente el laboratorio ideal y con condiciones estériles) en el que incluso las cosas sencillas se complican a menudo con enorme facilidad.
Aunque aparentemente menos sensible a pequeña escala que otros sistemas, la alta dinámica durante las fases de asentamiento y medición de la declinación absoluta y la ausencia de límites en las altas presiones han consagrado su aplicación en campos no recomendados para medidores diferenciales y de flujo másico. Por ejemplo, en el campo biomédico donde, además de la fiabilidad de la neumática y la necesidad de esterilidad y no contaminación de las piezas a ensayar, la alta oscilación de los materiales elásticos utilizados como bolsas o equipos de transfusión han definido como estándar estos sistemas en detrimento de otros.
Obviamente, al tener una gama completa de soluciones tecnológicas y diferentes métodos de medición, que van desde los gases trazadores a los microflujos, desde los sistemas de recuperación a las caídas de presión, el enfoque con la aplicación siempre proporciona la solución más adecuada, en primer lugar en términos de propósito y ámbito de uso, a continuación la sensibilidad y por último el tiempo de ciclo requerido.
Sigue siendo el hecho de que la aplicación de un sistema de decaimiento absoluto, cuando es posible, siempre tiene el encanto de “instalar y olvidar” mientras que cualquier otro método de doble sensor requiere algo más de atención en el campo de la metrología, debido a la doble medición. Periódicamente, de hecho, se requiere una verificación y un control más cuidadoso de la deriva, así como, en cualquier caso, una doble certificación. Por ejemplo, en el caso de los medidores de flujo másico (que sin embargo han reducido y simplificado los casos de intervenciones relacionadas con los sistemas capilares) siempre es necesario verificar la calidad del aire utilizado y el estado de limpieza o degradación del sensor de medición.
En particular, en los sistemas de decaimiento del diferencial, el desgaste y la suciedad en las válvulas ecualizadoras son inevitables debido a los gases de escape necesarios para preservar la vida del transductor de medición, mientras que la neumática es mucho más sensible y sofisticada que cualquier otro sistema en comparación.
En la medida en que tanto la ingeniería neumática como la mecánica y los procedimientos de verificación y calibración periódica de todos los sistemas han evolucionado drásticamente a lo largo del tiempo, es evidente, incluso a simple vista, que todas estas tecnologías son más complicadas cuando se comparan con los calibres de tipo absoluto.
En este tipo de medidores, el único transductor utilizado es de excelente calidad y cubre todo el rango de medición. Por lo tanto, es muy robusto, no requiere un escape forzado al final de la prueba y puede soportar el golpe de ariete causado por descargas no sincronizadas desde el exterior del instrumento, no se ve particularmente afectado por la suciedad y es insensible a la capacidad dieléctrica del gas utilizado y, dentro de ciertos límites, a su humedad.
Además, la neumática simple implica el uso de componentes mayoritariamente comerciales, sin aceite ni silicona, si es necesario suministrados con certificaciones para aplicaciones alimentarias, de envasado y farmacéuticas. Por lo tanto, la neumática es fácil de mantener y, si se diseña correctamente, es intrínsecamente segura, o siempre se pierde en caso de mal funcionamiento. Todas estas características son difíciles de obtener en la neumática para sistemas diferenciales, tanto con esquema simétrico como en eje sin patrón, y con cavidades isobáricas. Por este motivo, este segundo tipo de dispositivo requiere un mantenimiento más frecuente y controles periódicos más precisos.
En nuestros diferenciales T8960, por ejemplo, se ha estudiado la posibilidad de utilizar válvulas comerciales para aprovechar las ventajas de intercambiabilidad y versatilidad de los modelos de decaimiento absoluto, dejando las funciones de ecualización y protección del transductor ya no a los componentes mecánicos, sino a los procedimientos de software y a las señales PWM de alta velocidad.
En la práctica es difícil definir qué sistema es más práctico de usar. Por ejemplo, cómo entender si es mejor usar un diesel o una gasolina. Que el futuro está en el híbrido?
Como ya se ha mencionado, los nuevos sistemas duales no nacen del supuesto de situarse en una posición intermedia entre los medidores ahora conocidos, sino de flanquearlos y mejorarlos cuando sea posible.
Basándose en las características de ambos tipos ahora conocidas, tienen como objetivo fundamental fusionar sus funciones, simplificando y enriqueciendo los ciclos de medición. Por un lado, la fiabilidad y seguridad de los sistemas absolutos, por otro lado, el “efecto amplificador de la pérdida”de los sistemas de decaimiento diferencial.
Aunque todavía es demasiado pronto para definir los estándares, como la mayor parte de la investigación y el desarrollo de software en los distintos modos, todavía se puede hacer una breve descripción de los sistemas absolutos duales.
El elemento distintivo más obvio es en comparación con el uso de un diferencial simétrico con la pieza de muestra. En este caso la estrategia consiste en muestrear la pieza de referencia en cualquier caso durante la fase de prueba, así como en un diferencial, pero sólo a intervalos de tiempo tales que permitan hacer una comparación correcta con la pieza bajo prueba, sin distorsionar las características elásticas y térmicas de la pieza de referencia. A su vez, estas muestras se almacenan y comparan en modo vectorial con los ensayos en curso, creando a todos los efectos una comparación virtual hasta un nuevo muestreo.
La evidencia de mejora es entonces aún más fuerte si se utiliza en el modo diferencial simétrico en el cero central, donde esto se abandona ahora completamente los actuales sistemas diferenciales, considerándose poco fiables debido a la incertidumbre de la medición en caso de pérdida en ambos lados. En este modo, la potencia del sistema dual se expresa plenamente, pudiendo así aprovechar las ventajas de la compensación simétrica pero haciendo que el sistema sea seguro. En la práctica, el ciclo de medición en este modo prevé una prolongación del tiempo de prueba sólo en caso de desviación de los valores absolutos mediante la detección de un factor diferencial bajo. En otras palabras, al hacerlo es posible beneficiarse tanto de la alta inmunidad al ruido ambiental de la tensión mecánica y la deriva de la temperatura realizada por el balance simétrico real, como de la simplicidad confiable de la caída absoluta.
En el modo diferencial asimétrico el software se concentra en la capacidad de descargar el aire sólo cuando sea necesario. Debido a que no hay necesidad de salvaguardar el transductor, ya no es necesario generar una fase de escape al final de la prueba, como se requiere para los medidores diferenciales. Esto permite mantener las dos caras de la medición bajo presión en la medida de lo posible, asentándolas y evitando la complicada mecánica isobárica, los tubos coaxiales y otros dispositivos antiexpansivos destinados a reducir los fenómenos de elasticidad en el interior de los instrumentos. En la práctica, cuando es posible, la fase de descarga se realiza al principio de la prueba, ya no al final y el pilotaje se realiza interceptando por el software cuando el operador o el banco está a punto de vaciar la pieza en prueba.
Estas son en resumen las peculiaridades más evidentes de la nueva tecnología aquí descrita. Además de estos aspectos, la certificación de la medición es siempre y sólo inherente a una medida relativa y en la práctica se respeta toda la simplicidad y fiabilidad de en un sistema con declive absoluto.
En la práctica, incluso si se pierden algunos decimales de resolución en Pascal y con presiones de funcionamiento superiores a 6 bar de prueba, se obtiene una increíble simplificación de los sistemas diferenciales más famosos.
Con esta tecnología, nada más necesariamente gira en torno al transductor diferencial, pero el hardware se reduce al mínimo mientras que el software está en constante evolución.