Importancia de la metrología de masa y temperatura

 En Laboratorio de metrología

La metrología es una rama importante de las ciencias cuyo objeto es estudiar las escalas de medidas, propiedades medibles, técnicas y métodos de medición, sistemas de unidades, y la mejora continua de las mediciones con el fin de facilitar el desarrollo de las tecnologías, las ciencias y el bienestar de la sociedad. Entre las diversas magnitudes que compete a los laboratorios de metrología destacan la masa y la temperatura, las cuales son de suma importancia.

¿Qué es la metrología genérica y por qué es importante?

La metrología abarca aspectos prácticos y teóricos, que se relacionan con las mediciones, sin importar los campos científicos y tecnológicos en los que tienen cabida, y sin importar sus incertidumbres. Comprende tres actividades básicas:

  • Definir las unidades de medida aceptadas a nivel internacional
  • Realizar las unidades de medida con el uso de métodos científicos.
  • Establecer cadenas de trazabilidad, determinar y registrar la precisión y valor de las mediciones, y propagar los conocimientos obtenidos.

La metrología se divide en tres categorías, las cuales comprenden distintos niveles de exactitud y complejidad.

  • Metrología industrial. Garantiza el correcto funcionamiento de los equipos e instrumentos de medición que se usan en las industrias y en los procesos productivos y de verificación.
  • Metrología científica. Su función es desarrollar patrones de medida, organizarlos y mantenerlos.
  • Metrología legal. Su objetivo es determinar las mediciones que repercuten en la transparencia de diversas transacciones, por ejemplo, seguridad civil, comerciales, salud, etcétera.

La metrología es vital para nuestras actividades, incluso las más cotidianas. Desde la atención médica, investigación científica, tecnología, energía, etc. Sin la metrología, los aviones no volarían, los teléfonos celulares y las tarjetas de crédito no funcionarían y la distribución de electricidad no sería posible. La metrología puede ayudar a proteger a las personas, por ejemplo, las dosificaciones correctas de los medicamentos y la medición de la radiación, junto con la seguridad alimentaria y la seguridad vial, están determinadas por las labores que prestan los laboratorios de metrología.

Sin ella muchos requisitos críticos para la salud pública serían muy complicados y faltos de certeza. Protege también a las personas en emergencias y ayuda a salvar vidas. Los barcos, aerolíneas y ocasionalmente excursionistas aficionados utilizan sistemas de rastreo que fueron diseñados gracias a la metrología. Su utilidad puede observarse también cuando se trata de seguridad vial. Con la ciencia de las mediciones, se han creado restricciones en la velocidad, niveles de alcohol y frenado de vehículos con el fin de garantizar la seguridad general de los conductores y peatones.

Garantiza también la calidad. Sin las medidas correctas, la capacidad de cumplir los requisitos de los consumidores no sería posible. Asegura que todo lo que se invierte está a la altura de las expectativas de los clientes en relación al rendimiento. Hay diversos patrones y magnitudes en la actualidad, sin embargo, pocos tienen un peso considerable en todas las actividades humanas como la metrología de temperatura y de masa. Abordemos cada una a continuación.

Metrología de temperatura

En la medición de la temperatura, lo que se busca es un indicador de calor en los cuerpos en específico. No debe confundirse el concepto de calor con temperatura, pues el primero es una forma de energía relaciona con el movimiento de las moléculas, mientras que el segundo es el valor de lectura de un equipo de medición. La temperatura, en otras palabras, es una unidad de medida y una manifestación del calor

El Kelvin es la unidad base de temperatura termodinámica, la cual está definida como la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. Tal punto es donde puede coexistir el agua en sus tres estados. Cuando se habla de escalas de temperatura, suelen hallarse referencias a la temperatura termodinámica, objeto de la definición a nivel internacional, y a la escala práctica: Celsius. La última es la más utilizada en países que basan su sistema de medición en el Sistema Internacional de Medidas. Su valor cero es el punto de congelación del agua y el de ebullición es el valor 100 (a nivel del mar), los cuales se miden bajo condiciones específicas.

La escala de temperatura termodinámica, por otro lado, posee punto en el cero absoluto, el cual equivale a 273/16 °C, además, no posee valores negativos y sus intervalos son similares a los de la escala práctica. Los termometristas suelen expresar las temperaturas mayores en 0 °C y las menores en 0 °K. La materialización de la escala internacional de esta magnitud, constituye su patrón. Su finalidad es definir procedimientos y termómetro que sean prácticos y acordados internacionalmente, los cuales posibiliten a los  laboratorios de metrología de nuestro país concretar la escala y determinar valores que se reproduzcan en altos niveles.

La materialización se obtiene mediante celdas selladas que poseen una sustancia pura, en condiciones que hagan que la sustancia esté en un estado correspondiente a cierta temperatura y que representa un punto fijo de definición. El último se escogió originalmente para que la escala se adecuara a la escala termodinámica lo más posible. Las celdas selladas posibilitan la calibración de instrumentos para la temperatura con una incertidumbre del orden de 10-6.

Instrumentos de medición de temperatura

En la actualidad existen diversos equipos de medición de temperatura, son sensores que infieren esta unidad mediante los cambios en las características físicas. Los más utilizados son artefactos de cambio de estado, de expansión de fluidos, de resistencia, termopares, artefactos bimetálicos. Los primeros consisten en crayones, etiquetas, cristales líquidos, lacas, gránulos, entre otros que modifican su apariencia cuando se llega a cierta temperatura. La modificación es permanente, por tal motivo no pueden usarse de manera repetida, por lo que no son de utilidad en aplicaciones industriales.

Entre los artefactos de expansión de fluido, destaca el termómetro, que puede ser de mercurio, alcohol o ciertos gases, además, pueden operar con parcial o total inmersión. Se utilizan de manera rápida, no necesitan fuentes de corriente, sin embargo, la información que brindan no se puede registrar o transmitir directamente. Los termopares se construyen con dos piezas de distintos metales que se unen en un extremo e integran un voltímetro. Destacan por su exactitud, bajo costo y confiabilidad.

Los artefactos de resistencia están basados en el principio de que la resistencia eléctrica cambia con los cambios de temperatura. Presentan estabilidad, sin embargo, generan un poco de calor que puede repercutir en su sensibilidad. Los sensores ópticos están basados en que la luz que emiten los objetos calientes se relaciona con su temperatura. Los artefactos bimetálicos se relacionan con la diferencia de expansión térmica de los metales. Se unen dos piezas de metales distintos que al calentarse una pieza presenta mayor expansión cuando se someten a la misma variación de temperatura, y los movimientos que se generen son transmitidos a un indicador en una escala.

Importancia y proceso de la calibración de instrumentos de temperatura

Todos los instrumentos usados en mediciones críticas para procesos, tienen que comprobarse de manera periódica para corroborar que proporcionan la precisión necesaria. A tal proceso se le conoce como calibración de instrumentos. Cuando sea posible efectuar ajustes, los equipos que presenten mediciones que estén fuera de los límites esperados tienen que situarse nuevamente en un nivel aceptable de rendimiento. En aquellos dispositivos que sean no ajustables, tiene que registrarse el rendimiento de medición o desviación y determinar si son aún adecuados para su fin.

En el caso de los instrumentos de medición de temperatura, el hilo de los termopares y las propiedades de los bimetales varían con el tiempo y uso, especialmente si se usan en altas temperaturas, lo cual genera desviaciones en las mediciones. Las sondas de los temopares, de manera adicional, pueden tener daños mientras son usados, ya sean mecánicos o por corrosión, lo que causa deterioros prematuros. Los termistores son instrumentos frágiles que pueden dañarse con facilidad, por tal motivo deben verificarse de manera periódico. Lo mismo aplica a las cámaras de imágenes térmicas y termómetros IR.

Muchos recurren a la calibración de instrumentos de medición de temperatura dentro de las instalaciones, lo cual puede ser útil, sin embargo, siempre será necesaria una calibración externa para asegurar la trazabilidad. Hay muchos procesos que requieren calor para modificar las características de los productos. En ciertos casos, el control de la temperatura es crucial para garantizar la adecuación para los fines y el rastro documental acredita que la empresa considera las medidas correctas para procurar la calidad. La calibración de los sensores, constituye una parte crucial que solo puede realizarse por un laboratorio.

Los laboratorios deben contar con la acreditación de la ema para la calibración de termómetros de lectura directa, además de certificaciones como ISO 9001:2015. La calibración crucial en la metrología industrial se efectúa mediante procesos basados en normas nacionales e internacionales, además, la empresa que preste el servicio debe tener la trazabilidad de todos sus patrones de temperatura hacia los patrones nacionales que se mantienen en el CENAM. Hay dos métodos de calibración:

  • Comparación directa con el sensor de temperatura de referencia. Se aplica en termómetros digitales, bimetálicos, digitales e indicadores y controladores digitales. Posee diversos alcances y los instrumentos son calibrados en temperaturas personalizadas o que comprenden el total de intervalo de operación del dispositivo.

El servicio consiste en preparativos preliminares donde se revisan y limpian superficialmente los instrumentos; la calibración con el uso de un baño de temperatura constante, la toma de lectura de los puntos de medición, registro de información, cálculos e incertidumbre; el certificado en el cual se reportan los datos de la empresa, su cliente, los dispositivos calibrados, del patrón empleado, resultados con sesgo y valores de incertidumbre.

  • Comparación directa con el simulador de temperatura de referencia. Este método se aplica a indicadores, controladores y termómetros digitales. El servicio presta alcances, por ejemplo, de -160 a 1,300 °C, y los dispositivos son calibrados sin su termopar bajo temperaturas personalizadas o con la consideración del total de intervalo de operación del equipo. Comprende las fases del método anterior: preparativos preliminares, calibración y certificado de calibración.

Metrología de masa

importancia-de-la-metrologia-de-masa-y-temperaturaCuando se habla de metrología de masa, se hace referencia a una división de la metrología que tiene la finalidad de unificar los criterios fijados de las mediciones de la masa, con la consideración de que las mediciones van acompañadas con sus errores máximos permitidos e incertidumbre, según las normatividades locales e internacionales. La metrología de masa toma en cuenta al patrón k21 y respeta la cadena de trazabilidad relacionada. En los laboratorios nacionales se mantiene un patrón que es un prototipo del kilogramo de platino iridio, que consiste en un cilindro fabricado con iridio en un 10% y platino en un 90%, y que se asignó a México en el año de 1891. El patrón nacional es mantenido por el CENAM, con el fin de asegurar la trazabilidad en la magnitud de masas.

La trazabilidad en la magnitud de masa inicia con el BIPM, el kilogramo a nivel internacional, y se sigue con las réplicas del CENAM k21. La trazabilidad continúa con los patrones pesas EO a partir de los cuales se calibra pesas con clase menor conocidos como E1 y E2. Con la última se calibran las pesas patrón F1 y los dispositivos para pesar de clase I. Con las F1 son calibradas las pesas F2 y equipos de pesaje clase I y II. Las pesas FS se usan para calibrar pesas M1, M2 y equipo de pasaje clase I y II. Las M1 y M2 se usan para la clase M3, con la que se calibran IPP de clase III y IV. El criterio usado para la calibración de pesas es hacerlo a partir de una clase mayor.

Debido a la incertidumbre actual, y a la creencia de que el patrón primario puede alterarse en su masa y que ha perdido microgramos, el kilogramo será definido de modo que ya no se base en el cilindro mencionado, sino en una constante física conocida como vatio. Esta propuesta sugiere que el kilogramo debe basarse en una cantidad específica de energía eléctrica que puede equilibrarse a la perfección a una masa atraída por la gravedad y hecha levitar que representaría la nueva unidad.

Instrumentos de medición de masa

Actualmente hay diversos productos de medición de masa, entre los que destacan pesas, objetos no normalizados, básculas y balanzas. Cada uno sirve para fines específicos y es importante que se mantengan bien calibrados para garantizar la calidad de los procesos donde se utilicen. Los objetos sólidos no normalizados hacen referencia a aquellos a los que es necesario determinar su masa y que no se consideran como pesas. Las pesas son objetos de medición que materializan las masas y se regulan según sus características metrológicas y físicas, por ejemplo, forma, dimensiones, valor nominal, máximo error permitido, calidad superficial, etcétera. Ambos son elementos de gran importancia en la metrología industrial.

Las básculas son aparatos que permiten determinar el peso o la masa. Comúnmente integran una plataforma horizontal en la que se colocan los objetos que se desean pesar. Pueden ser mecánicas, electrónicas o híbridas. Las primeras pueden ser con contrapeso o muelle elástico o puente con sistema de palancaje. Las segundas integran sistemas electrónicos una pantalla que muestra la masa de los objetos. Integran sensores conocidos como celdas de carga.

Las balanzas son instrumentos que determinan los pesos por medio de la comparación de dos objetos: una pesa calibrada y un objeto cualquiera. Su diseño más sencillo integra dos plataformas equilibradas que cuelgan de una barra horizontal. Si bien no ofrecen medidas de suma precisión son útiles para procesos en los que se requieren únicamente estimaciones.

La Secretaría de Economía puede solicitar la calibración de estos instrumentos cuando sean detectadas en ellos ineficiencias metrológicos, ya sea antes de liberarse al mercado o mientras son operados. Los individuos acreditados, dejarán los documentos en manos de los interesados que corroboren que la verificación se efectuó de manera oficial. La verificación comprende la comprobación de la exactitud dentro de los errores máximos permitidos, asimismo, dentro de las pruebas que se establezcan en las normas oficiales.

Importancia y proceso de la calibración de instrumentos de masa

Las mediciones de masa son de suma importancia, no solo para cuantificar las transacciones comerciales, la productividad de las industrias y el control de calidad de las mercancías, también para garantizar la exactitud de los niveles necesarios en diversas magnitudes dependientes de la masa, por ejemplo, volumen, flujo, presión, fuerza, etcétera. Para la calibración de básculas y el resto de instrumentos de medición de masa se utilizan las pesas patrón, las cuales están calibradas de antemano con el seguimiento de la trazabilidad. Su uso es crucial en los laboratorios secundarios acreditados por la ema para llevar a cabo las calibraciones que basan en los patrones del laboratorio primario del CENAM.

Los equipos de medición de masa que se fabriquen en el país o se importen están sujetos a la NOM y para comercializarse tienen que aprobarse. La calibración permite esa aprobación y garantiza que los diversos procesos de pesaje posteriores se realicen con efectividad. Para la calibración de básculas y balanzas, considerados instrumentos de funcionamiento no automático para pesar, se requiere el respaldo de un laboratorio acreditado por ema.

La calibración se efectúa con la aplicación de procesos con base en la «Guía técnica de trazabilidad metrológica e incertidumbre de medida en la magnitud de masa para calibración de instrumentos para pesar de funcionamiento no automático», además, con el seguimiento de las NOM, NMX, ISO y las sugerencias del CENAM. Se requiere también de una empresa que posea trazabilidad de todos sus patrones de masa hacia el patrón que se mantiene en el CENAM.

El servicio comprende una inspección minuciosa de los instrumentos, limpieza superficial, ajustes de calibración si se cuenta con el manual operativo de la báscula o balanza, calibración de básculas y balanzas mediante el método de comparación directa con pesas patrón o cargas de sustitución, pruebas de excentricidad, exactitud, repetibilidad, captura de datos y certificado de calibración en el que se reportan los datos de la empresa, cliente, instrumento, patrones usados y resultados con errores y valores de incertidumbre.

Para pesas y objetos no normalizados, se utiliza la «Guía técnica sobre trazabilidad metrológica e incertidumbre de medida en la magnitud de masa para calibración de pesas clases E1, E2, F1, F2, M1 M1–2, M2, M2–3 y M3» y las normas mencionadas en el caso anterior. El servicio implica los mismos pasos, aunque difiere en la calibración, en la que se usa el método de comparación directa ciclo de sustitución doble o ABBA, asimismo, una captura de las lecturas de las condiciones del entorno, ciclos de medición y cálculos de incertidumbre y masa convencional.

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