Pesas patrón.

¿Saben qué son las pesas patrón y qué usos se les puede dar?

A continuación les contaremos. La metrología como ciencia de la medición estudia diversas magnitudes, una de ellas es la masa, que es la cantidad de materia que ocupa un cuerpo y la unidad en la que la expresamos es el kilogramo, cuyo símbolo (que no es abreviatura) es kg, en minúsculas y sin punto al final.

No siempre se ha medido de la misma manera, a lo largo de la historia han existido muchas unidades que buscan cuantificar la masa, como son la arroba, la libra y el quintal. El kilogramo nace en la época de la Revolución Francesa y la Ilustración. El espíritu ilustrado lo permeaba todo, y una de sus características era buscar la universalidad en todo, incluyendo en este caso los sistemas de medida. Por otro lado, la Revolución Industrial extendía el intercambio comercial e industrial, pasando de un ámbito local a uno internacional, y hacía necesario tener un sistema de medición único que facilitara el comercio y los procesos industriales. En este contexto histórico es que nace el kilogramo.

La primera definición de kilogramo fue la de la masa que ocupa un decímetro cúbico de agua destilada a 3,98 °C y una atmósfera de presión. Los 3,98 °C (antes grados centígrados, ahora grados Celsius), no es una temperatura arbitraria, a esa temperatura el agua presenta una mayor densidad a la presión de una atmósfera, recordemos que una atmósfera equivale a 101 325 pa (pa es el símbolo de pascales), esto para ser congruentes con el sistema General de Unidades de Medida.

Esta definición presenta algunos problemas técnicos y conceptuales. Por un lado, la presión es una magnitud derivada de la masa, por otro reproducir las condiciones del experimento y más con las antiguas tecnologías, resulta difícil y da incertidumbres algo altas. Por estas razones se buscó otra manera de definir el kilogramo, y a fines del siglo XIX, se optó por definirlo a partir de un objeto que fuese lo bastante estable como para no sufrir variaciones significativas con el tiempo. Este objeto es un cilindro de una aleación de platino (90%) e iridio (10%) y 39 mm, tanto de altura como de diámetro. Este cilindro es conocido como el patrón internacional de masa, y a partir de él se disemina el kilogramo y se otorga de trazabilidad a las mediciones de masa.

El definir una magnitud a partir de un objeto también presenta algunos problemas, ¿Cómo garantizar la estabilidad el objeto? ¿Qué pasa si dicho objeto sufre un daño o es extraviado? Además de que resulta complicado dotar de trazabilidad a los patrones nacionales de masa, al compararlo con ellos, tanto el patrón internacional como los nacionales pueden sufrir daño durante el proceso y la comparación requiere de bastante tiempo; por estas razones, se ha definido de nuevo el kilogramo, ahora como un fenómeno físico a partir de la balanza de Watt. Dicho fenómeno consiste en comparar el peso de una masa (recordemos que el peso es el efecto de la gravedad sobre la masa) con una fuerza electromagnética. El experimento es algo complejo de explicar, pero en la práctica facilita la reproducción del kilogramo como unidad de masa.

Líneas arriba dije que el cilindro de platino-iridio es el patrón internacional, ahora ¿Qué entendemos en metrología por patrón de medida? Según el Vocabulario Internacional de Metrología un patrón de medida es: “realización de la definición de una magnitud dada, con un valor determinado y una incertidumbre de medida asociada, tomada como referencia.” En el caso de la masa (que sería la magnitud dada) la realización de la definición, sería el cilindro de platino iridio, o el fenómeno que se presenta en la balanza de Watt; la incertidumbre de medida asociada es cierta duda razonable que tenemos sobre el valor de la magnitud. Esta duda se presenta en cualquier medición que se realice.

El patrón internacional dota de trazabilidad a los patrones nacionales y estos a las pesas patrón. La trazabilidad metrológica, es según el Vocabulario Internacional de Medida: “propiedad de un resultado de medida por la cual el resultado puede relacionarse con una referencia mediante una cadena ininterrumpida y documentada de calibraciones, cada una de las cuales contribuye a la incertidumbre de medida”. En el caso de la magnitud de masa, con el patrón internacional, se calibran los patrones nacionales, y con estos se calibran las pesas de clase de exactitud superiores, y con estas pesas las de clases inferiores. Esta serie de calibraciones relaciona el valor de masa de las pesas de clases inferiores con el valor de masa patrón internacional, haciendo que nuestras mediciones de masa sean comparables entre sí.

Una pesa es una unidad de medida de la magnitud de masa materializada que cumple con ciertas características. Es decir, la pesa es un objeto con cierto valor de masa, pero no es cualquier objeto, es un objeto que debe cumplir con ciertas características como son forma, tamaño, construcción a partir de ciertos materiales, marcaje, densidad, rugosidad, ciertos parámetros magnéticos, y ciertos límites en su valor de masa convencional, entre otros.

Aunque existen diversos documentos que regulan las pesas, en México es la Norma Oficial Mexicana NOM-038-SCFI-2000, Pesas de clases de exactitud E1, E2, F1, F2, M1, M2 y M3 (actualmente en revisión), quien establece las características que debe cumplir un objeto para poder ser denominado pesa. Este documento está basado en la recomendación R111 de OIML (Organitasion Internationale de Métrologie Légale) Weights of classes E1, E2, F1, F2, M1, M1–2, M2, M2–3 and M3, publicada en 2004. Es decir, las pesas fabricadas y comercializadas en México deben cumplir con el principal estándar internacional.

En este sentido, las pesas patrón serían objetos con ciertas características reguladas, que representan cierto valor de masa y se utilizan como referencia para calibrar otras pesas e instrumentos para pesar. La calibración es una forma muy particular de determinar el valor de alguna magnitud desconocida. En términos muy generales, la calibración es determinar cuánto se desvía un valor en una medición de otro valor considerado como “ideal”; esta desviación se conoce como error.

En la calibración de pesas se comparan las pesas muestra, es decir, las pesas que desconocemos su valor de masa, con las pesas patrón (pesas de referencia) de las que conocemos su valor de masa y comparamos este resultado con un valor “ideal” conocido como valor nominal. En el caso de la calibración de un instrumento para pesar, se compara el valor de la indicación del instrumento para pesar, en distintas pruebas con el valor de masa de las pesas y el valor “ideal” de esa indicación.

Una determinación de masa puede verse influida por el valor del empuje del aire. Las pesas están sometidas principalmente a tres fuerzas: la primera es la fuerza de atracción gravitacional, que es la que lleva la pesa hacía el centro de la Tierra. La segunda fuerza es la atracción magnética que puede ejercer la pesa sobre su entorno, como por ejemplo el plato del instrumento para pesar en el que se coloque; esta fuerza puede tener diversas direcciones. La tercera fuerza es la del empuje del aire. El aire es un fluido en el que todo está inmerso y en el que los objetos flotan. Esta fuerza empuja de manera distinta los objetos según su densidad.

Las dos primeras fuerzas se anulan o atenúan al estar normalizadas las pesas, es decir al estar fabricadas cumpliendo con diversos estándares. La tercera fuerza, el empuje del aire, no se puede controlar, ya que varía por diversos factores como son: la temperatura ambiental, la humedad relativa y la presión atmosférica; pero sí podemos determinar esta fuerza y tomarla en cuenta durante la determinación de la masa de una pesa. De aquí nace el concepto de masa convencional.

La masa convencional es definida en el documento D-28 Conventional value of the result of weighing in air, de OIML como: la masa de un patrón de densidad de 8 000 kg/m3, que equilibra en el aire un cuerpo en condiciones dadas de manera convencional que son una densidad del aire de 1,2 kg/m3 y 20 °C. El valor de masa de una pesa se expresa en masa convencional, esto facilita las transacciones comerciales, y en caso de requerirse el valor de masa “real”, es fácil realizar la conversión. La principal característica de una pesa es su valor de masa convencional, las demás características están determinadas en función de dicho valor de masa.

Las pesas se clasifican a partir de su error máximo permitido; esto es el valor máximo y mínimo de masa convencional que puede tener la pesa, considerando su incertidumbre. A mejor clase de exactitud, menor es el error máximo permitido y mejor la incertidumbre con la que es calibrada. Y según su clase de exactitud es el uso que se le dará a dicha pesa.

Según la clasificación establecida en la recomendación R111 de OIML la mejor clase de exactitud de una pesa es E1, que se utiliza para calibrar pesas E2, a partir de las pesas clases E2 e inferiores, se puede calibrar con ellas, tanto pesas como instrumentos para pesar. Las clases de pesas, son de superior a inferior: E1, E2, F1, F2, M1, M1-2, M2, M2-3, M