Para que los laboratorios de la industria y el gobierno se aseguren de que sus máquinas de medición de presión funcionan correctamente, necesitan una fuente de presión confiable. A menudo, esa fuente es un calibre de pistón, un cilindro de metal que cae a través de un cilindro hueco o "manguito" a una velocidad predecible. El personal del Laboratorio de Medición Física (PML) del NIST realiza calibraciones precisas de calibres de pistón para clientes, incluida la Marina, El ejercito, aerolíneas, y empresas de servicios públicos de energía.

Por décadas, esas calibraciones se realizaron minuciosamente a mano. Pero el personal ha desarrollado y lanzado recientemente un nuevo sistema automatizado que reduce drásticamente el tiempo necesario para cada prueba.

La presión es una medida de la cantidad de fuerza aplicada a una unidad de área. Para un manómetro de pistón, esa fuerza proviene de una masa que se coloca en la parte superior del pistón, empujándolo hacia abajo. El área en este caso es el área de la sección transversal del pistón, corregido por distorsión y defectos y referido como el "área efectiva". Entonces, para medidores de pistón, La presión depende del área efectiva del pistón y de la masa que se le aplica.

Los clientes del servicio de calibración de manómetros de pistón del NIST incluyen aerolíneas, empresas de servicios de energía, y los militares.

Para calibrar el medidor de un cliente, Los investigadores deben equilibrar las presiones generadas por dos medidores diferentes. A un lado de este equilibrio está el manómetro del pistón del cliente. En el otro lado está uno de los medidores de pistón estándar de NIST, cuyas dimensiones se han medido con precisión para que se conozca muy bien su área efectiva. La misma masa nominal, también medida en NIST con alta precisión, se coloca en cada medidor.

Los investigadores conocen el área efectiva del calibre de pistón estándar, y conocen el valor de las masas que se colocan en los calibres. Lo que ellos no saben pero necesito averiguarlo para completar la calibración, es el área efectiva del medidor del cliente.

En el viejo método manual, los manómetros estaban conectados con una celda de presión diferencial, que tiene un dial que indica qué tan diferente es una presión de otra. Para lograr el equilibrio, un investigador agregaría o eliminaría masas de todos los tamaños diferentes, algunos tan pequeños como 5 miligramos (mg), hacia y desde la parte superior de los calibres del pistón. Una vez que se equilibraron las presiones, los investigadores observarían cuánta masa se había utilizado para el medidor del cliente y la usarían para calcular el área efectiva. Luego, esto se repetirá varias veces, generalmente un total de 10, a diferentes presiones dentro del rango del manómetro del pistón. En el final, Los investigadores del NIST podrían proporcionar al cliente un informe con correcciones que podrían aplicar a cualquier medida que hicieran con su manómetro de pistón.

Esto puede parecer sencillo. Pero en la práctica fue extremadamente lento, porque los investigadores tenían que esencialmente hacer una condición de equilibrio casi perfecta entre los dos medidores. "Fue muy tedioso, "dice Greg Driver, el miembro del personal de NIST PML que realizó estas calibraciones durante más de cuarenta años hasta su jubilación a principios de este año.

"A la antigua verías al investigador con un par de pinzas, sacando estas pequeñas masas de la caja y poniéndolas sobre esta cosa una y otra y otra vez, ", dice Julia Scherschligt de NIST PML. Además de eso, Ella continúa, el técnico tendría que configurar correctamente un equilibrio cada vez que se cambiaran las masas, cubriendo y destapando los manómetros de los pistones para evitar que las corrientes de aire afecten su rendimiento, agregar bocanadas de gas nitrógeno a los medidores para evitar que se caigan al fondo de sus mangas, y girar a mano los medidores para evitar que cualquier imperfección leve en su construcción desvíe los resultados. (Vea el video para ver una demostración del antiguo método manual).

Hace un año, el equipo comenzó a investigar una forma de automatizar esta comparación para evitar tener que crear un equilibrio perfecto. En el nuevo método, las presiones se comparan con un transductor, que primero muestrea la presión creada por uno y luego, en unos segundos, muestrea la presión creada por el otro. No más agregar y eliminar masas pequeñas:los investigadores simplemente colocan la misma masa nominal en la parte superior de cada medidor y luego agregan un poco de gas nitrógeno a cada lado cuando sea necesario. Pronto, ellos esperan, ni siquiera tendrán que encender manualmente el nitrógeno:la computadora se encargará de toda la calibración automáticamente.

La belleza del nuevo sistema, Scherschligt dice:es que el transductor en sí no necesita ser calibrado. "Se puede considerar como un dispositivo que transfiere casi instantáneamente la calibración del manómetro de pistón NIST al manómetro del cliente, "Ella dice." La precisión del transductor no importa - podría estar fuera de orden de magnitud - siempre que responda linealmente a los cambios de presión ".

Calculan que están ahorrando mucho tiempo de esta manera. "Podemos hacer una calibración de diez puntos en aproximadamente una hora, "El conductor dice". Antes, me llevaría casi un día entero ". Además, han logrado una precisión del orden de unas pocas partes por millón, comparable al método manual.

La creación del sistema automatizado fue un esfuerzo de equipo. Yuanchao Yang, que era un asociado del NIST en ese momento, diseñó y construyó el sistema con información de Driver y Scherschligt, así como de Dawn Cross de NIST PML, que ha estado realizando las calibraciones del manómetro del pistón desde la jubilación de Driver. De la Oficina de Gestión de Sistemas de Información del NIST, Katie Schlatter fue la ingeniera de procesos y John Quintavalle diseñó y escribió el software.

Ahora, los rangos de presión cubiertos por el sistema automatizado solo llegan hasta 7 MPa (megapascales, aproximadamente 1000 psi), lo que significa que cualquier manómetro de pistón con un rango de presión superior a 7 MPa debe calibrarse a mano. El equipo de NIST planea actualizar este sistema parcialmente automatizado a 14 MPa (aproximadamente 2000 psi), y, en última instancia, me gustaría hacer otro sistema con automatización completa.