Sistema de medida de propiedades acústicas 

La  técnica  elegida  para  llevar  a  cabo  las  medidas  fue  la  transmisión  de  ultrasonidos. El montaje consiste en dos piezoeléctricos enfrentados en el interior de  un cilindro portamuestras como se puede observar en la Figura 3.9. El generador de 

pulsos  (Panametrics  5072PR,  Waltham,  USA)6  emite  una  señal  eléctrica  que  es  convertida  en  señal  mecánica  por  el  piezoeléctrico  emisor  (E)  que  atraviesa  la 

muestra,  y  el  pulso  es  detectado  por  el  piezoeléctrico  receptor  (R),  colocado  a  una 

distancia d.  En  un  osciloscopio  (Tektronix  TDS5032B,  Oregon,  USA)7  se  visualizan  las  señales emitidas y recibidas por los piezoeléctricos de forma continua. 

          (a)               (b) 

Figura  3.9.  (a)  Dispositivo  completo  para  las  medidas  ultrasónicas  con  las  diferentes  partes:  cabezal, 

contenedor  cilíndrico  portamuestras  y  célula  de  medida  de  propiedades  acústicas.  (b)  Esquema  de  dicho dispositivo. 

La célula de medida de propiedades acústicas fue construida en el Instituto de  Física  de  Altas  Presiones  de  la  Academia  Polaca  de  Ciencias,  Varsovia  (Polonia).2  La  célula  soporta  una  presión  máxima  de  trabajo  de  700 MPa,  y  el  intervalo  de  temperatura  que  admite  es  desde  233.15 K  hasta  353.15 K.  Las  partes  de  las  que  consta la célula son las siguientes: 

- Un contenedor de muestra cilíndrico de 69 mm de altura y 25 mm de diámetro 

con  un  volumen  útil  aproximado  de  20 mL  (véase  Figura  3.10.a).  El  fondo  de  este  contenedor  es  un  pistón  flotante  mostrado  en  la  Figura 3.10.b,  que  permite la variación del volumen de la muestra cuando ésta es sometida a un  cambio de presión o de temperatura. El pistón dispone de un tornillo de purga  en  su  base,  para  la  evacuación  del  aire  de  la  muestra  en  el  momento  del 

llenado,  y  tiene  una  junta  tórica  de  NBR  (nitrile  butadiene  rubber)  a  su  alrededor para garantizar la estanqueidad del contenedor de muestra.                  (a)      (b)  Figura 3.10. (a) Contenedor cilíndrico para albergar la muestra. (b) Pistón flotante alojado en la  parte interior del contenedor de muestra.  - Un dispositivo de medida de propiedades acústicas cuya fotografía se muestra  en  la  Figura  3.11.  Consta  de  dos  piezoeléctricos  (Pz26,  Ferroperm  Piezoceramics® A/S, Kvistgard, Dinamarca)8 de 2 MHz de frecuencia, 0.93 mm  de  espesor  y  10.08 mm  de  diámetro,  enfrentados  paralelamente  a  una  distancia  d,  que  como  se  verá  más  adelante  en  la  sección  3.3.1.2  se  ha 

determinado  en  los  calibrados,  y  suele  ser  del  orden  de  14 mm  al  iniciar  el  experimento  a  presión  atmosférica.  Los  piezoeléctricos  son  de  titanato  zirconato de plomo recubiertos por una fina capa de plata. El piezoeléctrico E 

es el emisor de pulsos y el piezoeléctrico R es el receptor. Cada piezoeléctrico 

se  encuentra  insertado  en  una  capa  de  politetrafluoroetileno  (PTFE),  para  minimizar  reflexiones  y  dispersiones  de  los  pulsos  de  ultrasonidos,  y  lleva  alrededor una junta tórica que los protege del efecto de la compresión. Cada   piezoeléctrico  se  sujeta  mediante  una  segunda  placa  de  PTFE  formando  un  sándwich.  Las  dos  capas  de  PTFE  tienen  unos  tornillos  pasantes  de  acero  inoxidable que mantienen el paralelismo entre ambas capas con ayuda de unas  tuercas.  El  dispositivo  de  medida  cuenta  además  con  cuatro  cables:  uno  soldado  a  la  parte  exterior  del  piezoeléctrico  emisor,  otro  soldado  a  la  parte  exterior del piezoeléctrico receptor, y un tercero y cuarto que van conectados  a tierra y están soldados a las capas interiores de los dos piezoeléctricos. Los  cuatro  cables  se  conectan  al  cabezal  de  la  célula  de  medida  de  propiedades  acústicas. 

Figura 3.11. Dispositivo de medida de propiedades acústicas. 

- Cabezal  de  acero  inoxidable  y  aleación  de  cobre‐berilio  cuya  fotografía  se 

muestra  en  la  Figura  3.12.  Consta  de  dos  juntas  tóricas.  El  cabezal  está  atravesado  por  tres  cables  eléctricos  que  unen  el  dispositivo  de  medida,  situado  dentro  del  contenedor  de  muestra,  con  el  resto  del  dispositivo  de  medidas  acústicas  (osciloscopio  y  generador  de  pulsos).  El  cabezal  también  dispone de un termopar blindado tipo T, para poder registrar la temperatura  en el interior de la muestra.    Figura 3.12. Cabezal de la célula de medida de propiedades acústicas.  3.2.2.4 Dispositivos anexos   Baño termostático 

La  correcta  determinación  de  las  propiedades  medidas  requiere  que  las  mismas  se  realicen  a  temperatura  constante.  Para  ello,  se  emplea  un  baño  termostático  (Haake  K,  Karlsruhe,  Alemania)9  con  un  intervalo  de  trabajo  desde  233.15 hasta 423.15 K. 

El baño se conecta mediante un sistema de mangueras a un tanque en el que  se encuentra sumergida la vasija de alta presión como se ha representado en la Figura 

3.2.b. De esta forma, la circulación continua del líquido refrigerante permite conseguir  una  temperatura  constante  en  un  intervalo  de  ± (0.1  ‐  0.3) K  en  la  muestra  para  realizar las medidas. Todo el sistema se encuentra aislado térmicamente con el fin de  disminuir al máximo la transferencia de calor. 

 Sistema de adquisición de datos 

Consiste  en  un  recolector  de  datos  (DC100  Data  Collector  Yokogawa,  Tokyo,  Japón)10  conectado  a  un  ordenador,  en  el  que  se  reciben  las  siguientes  señales  a  través de los correspondientes canales: 

- Temperatura  de  la  muestra  (oC),  medida  por  el  termopar  situado  en  el  interior  del  cilindro  portamuestras,  (indicado  con  una  letra  T  en  la  Figura  3.2.b). 

- Temperatura  del  baño  (oC),  medida  a  través  de  un  termopar  tipo  T,  sumergido  en  el  tanque  termostático  donde  se  encuentra  la  vasija  de  alta  presión, (indicado con una letra T en la Figura 3.2.b). Los errores asociados a  las  medidas  de  las  temperaturas  de  la  muestra  y  del  baño  a  través  de  sus  correspondientes  termopares  es  de  unos  0.14 oC,  valor  que  se  tiene  en  cuenta en la corrección de las temperaturas. 

- Presión en la vasija de alta presión (MPa), medida a través del transductor 

de presión (AP) situado en el capilar de entrada del fluido presurizador a la  vasija  de  alta  presión,  (indicado  con  una  letra  P  en  la  Figura  3.2.b).  La  presión  se  recoge  en  el  sistema  de  adquisición  de  datos  en  términos  de  voltaje y mediante una calibración dada por el fabricante del transductor de  presión, ésta se obtiene mediante la siguiente ecuación: 

Presión(MPa) 70 Voltaje( ) 0.1  V        Ecuación 3.3  La  incertidumbre  dada  por  el  fabricante  para  el  voltaje  es  del  0.5 %, a la que hay que añadirle la experimental, es decir, la asociada a cada  experimento,  puesto  que  a  las  diferentes  presiones  a  las  que  se  somete la  muestra,  la  presión  va  cambiando  y  se  toma  un  valor  medio  durante  los  últimos  45  segundos  del  experimento.  Ese  valor  medio  de  la  presión  no  suele tener una desviación estándar superior a 0.05 MPa hasta una presión  de  unos  500 MPa,  de  manera  que  la  desviación  estándar  promedio  hasta  este valor de presión es de unos 0.03 MPa. A partir de 500 MPa la desviación  estándar  es  mayor,  tomando  un  valor  máximo  de  4 MPa,  aunque  la 

desviación  estándar  media  en  el  intervalo  de  500  a  700 MPa  es  de  unos  1.4 MPa. 

Previamente  a  la  realización  de  los  experimentos,  los  termopares  fueron  calibrados por el servicio de Calidad del Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos  y Nutrición (ICTAN)11 mediante un sistema de calibración portátil, DBC 150‐TS (Druck,  Italia).12 

Todas las señales indicadas son recogidas por el sistema de adquisición de datos  y pueden ser visualizadas en tiempo real en el monitor del ordenador a través de un  software  que  permite,  a  su  vez,  la  grabación  de  las  mismas.  En  nuestras  medidas  hemos  fijado  que  se  almacenen  a  lo  largo  de  todo  el  experimento  las  diferentes  señales cada 2 segundos para los experimentos de medida de velocidad del sonido, y  cada 0.5 segundos para las medidas de cambio de volumen.