Sistema de medición de presión

Los de mayor aplicación caen en alguno de estos dos tipos:
        Manómetro.
        Trasductor de presión electrónico.

Manómetro.
El sistema consiste en una toma de presión unida a un manómetro mediante un caño con líquido. Este líquido es de alto punto de ebullición y sirve para hacer un sello hidráulico que evita el contacto de los gases de combustión con los delicados materiales del manómetro. Usualmente es aceite, o fluido hidráulico(que es lo que uso).

                                    Fig. nº 1. Esquema de un sistema de medición de presión con manómetro.

Ventajas.
        Es un sistema sencillo.
        Este sistema es el de menor costo.
        Permite tener una precisión razonablemente buena.

Desventajas.
        Requiere tener un sistema de registro visual de los valores del manómetro.
        Requiere algún tipo de calibración si se desean valores exactos de presión.

Trasductor de presión electrónico.
Se arma con un trasductor de presión electrónico, un conversor analógico-digital y un sistema que almacena la información (que puede ser un data-logger o una notebook) y es conveniente tener un sistema de calibración. Al igual que con la celda de carga conviene realizar la calibración antes de hacer el ensayo para evitar problemas de errores por variaciones de temperatura, etc.

                             Fig. nº 2. Esquema de un sistema de medición de empuje con trasductor de presión.


Este es el sistema que se impuso en los bancos de pruebas profesionales y es muy usado en la C.E.A. Teniendo un conversor analógico-digital de varios canales y una sola notebook permite tener los valores de empuje, presión versus tiempo, ademas de poder registrar más parametros de ensayo..

Ventajas
        Técnicamente es el que puede dar las mejores prestaciones.

Desventajas
         Este sistema es el de mayor costo.
         Requiere un sistema de protección del trasductor para no sobrepasar su presión máxima de trabajo, en
          particular en caso de exploción del motor. En general la protección del mismo es utilizar transductores
          sobredimensionados generosamente. Ejemplo típico: para presiones de trabajo máximas esperadas de
          10 MPa se utilizan transductores con rango de  operación de 35 MPa como mínimo.

Sistema de medición de empuje

Hay varios sistemas para medir empuje. Los de mayor aplicación caen en algunas de estas categorías:
        Medición de empuje con sistema elástico o peso.
        Medición de empuje con sistema de manómetro y pistón.
        Medición de empuje con sistema de celda de carga.

Medición de empuje con sistema elástico o peso.
Sirve en general para registrar empuje de motores de poca potencia, del orden de hasta 10-20N. Se puede hacer simplemente con un resorte que se calibra con pesas. O mediante un sistema de palanca que actúa sobre un peso, tal como si fuese una balanza. También se puede utilizar un fleje elástico.

                                          Fig. nº 3. Esquema de un sistema de medición de empuje con resorte

Ventajas
        Es lo mas barato que se puede implementar.
         Se lo emplea en caso de tener bajos recursos materiales o de no necesitar tener medidas precisas, o sea           en los casos de "mejor tener algo que nada".

Desventajas.
        Alto error en la medición.
        Al subir la potencia y el peso del motor empiezan a producirse fenómenos de oscilación y resonancia que            impiden tener mediciones correctas.

Medición de empuje con sistema de manómetro y pistón.
Se puede hacer con un pistón donde actúa la fuerza de empuje del motor; la fuerza se convierte en presión la cual se mide mediante un manómetro. El registro se realiza por ejemplo con una cámara de vídeo.

                    Fig. nº 4 . Esquema de un sistema de medición de empuje con sistema de manómetro y pistón .

Ventajas.
        Este sistema es de costo intermedio.
        Permite tener una precisión razonablemente buena.
        Es un sistema bastante flexible en cuanto a que con un misma manómetro se pueden tener distintos           rangos de empuje variando el pistón o para un mismo pistón variar el manómetro.

Desventajas.
        Uno de los principales problemas que tienen es la histéresis que tiene el pistón que traduce la fuerza en           presión. Esto hace que pequeñas variaciones de fuerza no sean detectadas.
        Requiere tener un sistema de registro visual de los valores del manómetro.

                               Fig. nº 5. Ejemplo de sistema de medición con pistón y manómetro

Medición de empuje con sistema de celda de carga.
El sistema esta integrado por una celda de carga, un amplificador de la celda de carga, un conversor analógico- digital, un sistema que almacena la información (que puede ser un data-logger o una notebook) y un sistema de calibración. Menciono el tema de la calibración ya que conviene hacerla antes de cada ensayo para evitar problemas de errores por variaciones de temperatura, etc.
Es el sistema que se impuso en los bancos de prueba profesionales y es muy usado en la C.E.A.

                        Fig. n º 6. Esquema de un sistema de medición de empuje con sistema de celda de carga.

Ventajas.
         Técnicamente es el que puede dar las mejores prestaciones.

Desventajas.
        Este sistema es el de mayor costo.
        Requiere un sistema de protección de la celda de carga para no sobrepasar su carga máxima. Lo típico es         utilizar topes mecánicos que limitan la deformación de la celda de carga.

Fig. n º 7 y 8- BEMCO de Raúl "Tito" Martínez, con celda de carga.

Sistema de medición de presión y empuje

Lo usual es medir presión y empuje en función del tiempo. Para ello basta combinar los sistemas de medición de presión y empuje mencionados anteriormente.
En general lo usual es, ordenado de lo mas sencillo y barato, a lo mas caro y complejo:

        Motor enterrado en tierra o sujeto a una base sencilla.
        BEMCO con resorte.
        BEMCO con manómetros y registro con vídeo.
        BEMCO con celda de carga y trasductor de presión.

Sistema de medición con celda de carga y trasductor de presión.
Las partes que lo integran, tal como se explicara anteriormente, son:

Las fig. nº 9, nº10, nº11, nº12 son fotos del sistema de este tipo que dispongo (a Setiembre/2004).

Fig n° 9- Sensor de presión (propiedad de Raul Martinez)		Fig n° 10- Celda de carga (gentileza de Jorge DiStefano)
Fig n° 11- Amplificador, Conversor A/D		Fig n° 12- Amplificador, Conversor A/D, Nootebook.

El sistema de medición fue desarrollado por Jorge DiStefano; una descripción general del mismo fue preparada por él y esta aquí: Sistema de Medición. Esto incluye los amplificadores, el conversor A/D de dos canales y 10bit, y el programa para la Nootebook; todo es su creación (GRACIAS Jorge!!).

En idioma inglés hay información "introductoria" en el sitio WEB de Aerocon sobre Celdas de Carga y sobre Trasductores de presión.


Sistemas de medición y registro: Lo que no funciona....

He probado y sabido de pruebas de otros tipos de sistemas de medición y registro distintos a los mencionados en el presente artículo. Por ejemplo para los sistemas de medición aplicando potenciometros, poniendo el motor en una base basculante y que se elevaba al generar un empuje, etc. La conclusión fue que no sirven. Por ello deseo comentar:

	Si desea experimentar con nuevos diseños de sistema de medición para los BEMCOs: HAGALO!!!!. Recuerde "La mayor tragedia es no probarlo".
	Si desea tener un BEMCO con un sistema de medición que le sirva y poder avanzar en el desarrollo de los motores cohete no pierda tiempo y esfuerzo en diseños nuevos del tipo "innovador" o con "cambios radicales". Use lo conocido.
	Para los sistemas de registro se pueden aplicar sistemas de registro sobre papel. En general han quedado obsoletos. Se aplican a los casos de motores chicos de bajas potencias o donde está la política (que comparto...) de "mejor tener algo que nada".

Sitio físico donde realizar el ensayo

Los ensayos en BEMCO son por su propia naturaleza los que presentan mayores riesgos de explosión. Por favor considerar esto con atención. Se debe seleccionar el sitio de prueba y ubicación con sumo cuidado y respetar las normas de seguridad el máximo.
Lo ideal es contar con un lugar apartado y con alguna forma de reparo natural, como por ejemplo zanjas, colinas, rocas grandes, etc. La mejor forma de tener condiciones seguras es estando lejos. No olvidar de proteger los equipos de registro. Prever que en caso de una explosión los resultados de la misma no dañen a ninguna persona ni bienes materiales de nadie.

De ser necesario tener los permisos oficiales para hacer este tipo de pruebas según la legislacion en vigencia del lugar donde se realiza. Así también lo necesario para transportar el motor cohete y cumplir con la legislación en vigencia.

Filmación de la prueba

Es muy útil filmar el ensayo del motor y luego hacer su análisis detallado. Se puede usar filmadoras analógicas, las cuales dan en general una resolución de 33 imágenes por segundo, o digitales que permiten el doble o mas de imágenes de alta definición. Actualmente hay cámaras fotográficas digitales que permiten hacer filmaciones breves de 10 a 40 seg. Para ver las imágenes en un televisor se hace avanzar la videocasetera cuadro por cuadro, se registran los valores y luego se los pasa a una planilla de calculo para su procesado. Si se puede digitalizar una imagen analógica es mejor ya que no provoca desgaste de la cinta y cabezal de la videocasetera. Observar la colina de atrás que da protección, la protección de la video grabadora y los guantes termicos de Kevlar. IMPORTANTE: Es conveniente que la filmadora este protegida en caso de explosión del motor.   Fig n° 13- Disposición de elementos para un ensayo estático de un motor de la serie Tango.

Guía para hacer un BEMCO en diez pasos

Análisis de los resultados

Los BEMCO se usan para obtener información. La misma se basa en registrar datos antes, durante y después del ensayo.
Es importante antes del encendido del motor cohete registrar todos los datos de pesos y características de lo que se va a ensayar, en particular peso del propulsante y diámetro garganta de la tobera.

Del análisis de los valores registrados durante el ensayo no solamente se obtienen las curvas de "Empuje versus Tiempo" y "Presión de cámara de combustión versus Tiempo" sino también:
        Tiempo de combustión
        Empuje total
        Empuje promedio y máximo
        Impulso específico
        Presión de cámara de combustión promedio y valor máximo
        Retardo en el inicio de la combustión
        Flujo de masa
        Coeficiente de empuje

El cálculo de los mismos se da en los puntos anteriores y en Teoría del motor cohete.
 
Luego del ensayo, y aparte del análisis de los valores registrados, se realiza un "análisis post-encendido" donde se determina:
        Restos de propulsante sin quemar.
        Erosión en las distintas partes de la tobera.
        Restos de residuos de la combustión del propulsante.
        Puntos de sobretemperatura en la cámara de combustión.
        Deterioro en la aislación térmica y/o inhibidores de la combustión.
        Peso de las distintas partes.
        Pérdidas en los sellos de cierre.
        Daños en la estructura del motor.


Seguridad

Algunos detalles relativos a la seguridad son en particular:
       Contar con medios para extinguir posibles incendios.
       Tener medios de protección personal, en particular guantes para tocar cosas calientes.
       Cuidar del medio ambiente. No dejar basura.
       Verificar que el humo y ruido que se genera no afecten a las personas ni perturbe a la fauna local.
       Estar lo suficientemente alejado del BEMCO para no ser alcanzado por esquirlas en caso de explosión.
       Considere siempre la posibilidad de una explosión y prevea las medidas para reducir los posibles daños.


Reproducibilidad de los resultados
Se insiste en recomendar probar los motores en un BEMCO, para no tener "sorpresas" desagradables al momento de realizar un lanzamiento con un cohete. Sin embargo un ensayo estático exitoso no es garantía de funcionamiento del motor cohete en vuelo.

Hay tres motivos principales:
	Falta de reproducibilidad en la fabricación del motor. Tanto por usar materiales distintos como por un proceso de fabricación diferente. La sugerencia es tratar de mantener procesos de preparación de propulsantes que estén escritos y que tengan todos los parámetros controlados. O sea "Control de Calidad". Controlar la calidad del propulsante (densidad correcta, velocidad de combustión a presión atmosférica igual en todas las partidas), la calidad de toda la parte mecánica (hacer siempre prueba hidráulica del tubo motor completo).
	Condiciones de trabajo del motor diferentes a las de la prueba. Ejemplos típicos son diferentes temperaturas iniciales entre el ensayo y las condiciones para vuelo, tener un propulsante envejecido. Aquí la sugerencia es mantener las mismas condiciones de prueba que las de aplicación.
	Condiciones dinámicas sobre el motor que no están presentes en un ensayo estático. Aquí la sugerencia es prever en lo posible las mismas y eventualmente hacer algún ensayo en vuelo con un cohete sencillo que reproduzca el proyecto final. En la práctica lo que se realiza es mantener un control de calidad de lo que se hace y hacer varios vuelos para tener confianza en el funcionamiento del motor. La práctica de la C.E.A. permite "ineficiencias" al tener mayores márgenes de seguridad, o sea utilizar tubos motores con mayores presiones de rotura. Esto da un mayor peso que se compensa con tener un motor un poco mas potente pero el beneficio es reducir el riesgo de una explosión.

Compendio de distintos tipos de BEMCOs

Una recopilación de imágenes de distintos tipos de BEMCOs los encuentra en el sitio WEB de Aerocon:
Test Stands, (en idioma inglés pero la imágenes hablan por si mismas). Recomiendo visitarlo!.


Sugerencias varias

        Anote todos los detalles de importancia en un cuaderno en el propio campo de pruebas.
        Utilice Listas de Verificación para no olvidarse de nada cuando va a salir a realizar las pruebas.
        Utilice Listas de Verificación para seguir todos los pasos para el ensayo.
        Siga estrictamente las reglas de seguridad.
        Póngale un llave de paso para cerrar la salida del líquido en momentos de transporte del BEMCO.
        Limpie rapidamente el BEMCO luego de la jornada de ensayos.
        Seguridad, Seguridad, y Seguridad ante todo.

    
Fotos
Fotos Fig. nº 7, nº 8 y nº 13 fueron tomadas Raúl "Tito" Martínez, Gracias!

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