LABORATORIO CUSTODIO DE PATRONES NACIONALES DE LA MAGNITUD FUERZA 1. INTRODUCCION Se encuentra en desarrollo en Chile un sistema innovador denominado Red Nacional de Metrología, cuya base está fundada en laboratorios que custodian, mantienen y operan los patrones que el Estado ha designado como Patrones Nacionales. En 1997 se firmó el protocolo entre el Ministerio de Economía y Cooperación de Alemania y el Ministerio de Relaciones Exteriores de Chile, para un proyecto de cooperación técnica que estableciera las bases del futuro desarrollo metrológico chileno. Como representantes de cada país y ejecutores técnicos del proyecto, fueron nombrados el Laboratorio Nacional de Metrología Alemán, y el Instituto Nacional de Normalización. A partir de ese momento entonces, el Estado tomó un rol activo en el desarrollo metrológico y a través del Fondo de Desarrollo e Innovación de CORFO apoyó al INN para el diseño de un Sistema Nacional de Metrología acorde con las necesidades inmediatas del país. Como resultado de este esfuerzo, hacia fines de 1997, se firmaron los contratos de asignación de subsidios para apoyar la creación de los cuatro primeros Laboratorios Nacionales de Metrología. Entre las magnitudes seleccionadas se encontraba, Fuerza, que fue asignada al Instituto de Investigaciones y Control del Ejército, IDIC. Como consecuencia de la asignación señalada se comenzó la implementación del Laboratorio Custodio de Patrones Nacionales de la Magnitud de Fuerza, que al cabo de 3 años, cuenta con la capacidad prevista instalada y funcionando. Los Patrones Nacionales en la magnitud Fuerza, que cubren el rango entre 50 N y 3 MN, para esfuerzos de tracción y compresión son cuatro, uno clasificado como patrón primario, denominado Máquina de Masas Suspendidas y tres clasificados como patrones secundarios, denominados Sistema de Aplicación de Fuerza con Transductor de Fuerza de Referencia. 2. SISTEMAS DE GENERACION DE FUERZAS 2.1 MÁQUINA DE MASAS SUSPENDIDAS, PATRÓN PRIMARIO Una máquina de masas suspendidas o máquina de pesos muertos, es un dispositivo mecánico que permite aplicar una fuerza conocida a un instrumento a calibrar, mediante la combinación de masas patrón, cuyos valores están bien definidos, con la aceleración de gravedad local. Las masas patrón, inicialmente soportadas por un marco fijo, son transferidas al instrumento a calibrar por medio de un marco móvil, en éste las masas son sometidas a la aceleración de gravedad local, generándose la fuerza conocida. Como el empuje del aire sobre las masas, genera una fuerza ascendente sobre éstas, debe efectuarse una corrección. Una máquina de masas suspendidas está compuesta por una estructura de soporte, un sistema de generación de fuerza y un sistema de transmisión de fuerza. La estructura de soporte es la parte que resiste los esfuerzos transmitidos por las masas, tanto en la fase pasiva y la activa (cuando las masas están en descanso y cuando actúan sobre el sistema de transmisión, respectivamente). El sistema de generación de fuerza incluye, además de las masas, el dispositivo para soportarlas y transferirlas sobre el sistema de transmisión. SISTEMA DE GENERACIÓN DE FUERZA CON TRANSDUCTOR DE FUERZA DE REFERENCIA, PATRÓN SECUNDARIO 2.1.1 Descripción del sistema Un sistema de generación de fuerza con transductor de fuerza de referencia (STFR), consiste en un dispositivo, normalmente hidráulico o mecánico, generador de fuerza, la cual es medida y controlada mediante un transductor de fuerza que se emplea como referencia. Este transductor de referencia debe ser periódicamente calibrado en un patrón primario (máquina de masas suspendidas) y el sistema completo debe ser caracterizado mediante un procedimiento denominado determinación de la mejor capacidad de medición que se describe más adelante. 2.1.1.1 Transductor de Fuerza Un transductor de fuerza es un dispositivo para medir fuerza compuesto, en general, por un elemento elástico, un conjunto de láminas de deformación adheridas firmemente al primero y los dispositivos necesarios para el montaje, según su empleo. En un transductor de fuerza, el elemento elástico normalmente es una pieza de metal, cuyo objeto fundamental es deformarse bajo la acción de la carga aplicada. Son mecanizados de diferentes formas, siendo las más típicas las de columna, viga en voladizo, viga binocular, rueda con rayos, cilíndricas, tipo S, etc. 2.1.1.2 Dispositivo generador de fuerza El dispositivo generador de fuerza consiste normalmente en un marco rígido fijo combinado con otro móvil que, mediante la utilización de sistemas hidráulicos o mecánicos, posibilitan la aplicación de una fuerza sobre el instrumento a calibrar. Dependiendo de su estructura podrán aplicarse esfuerzos en compresión, en tracción o en ambos. 3. DECRETO DE NOMBRAMIENTO Por resolución Nº 487 del 22 de septiembre de 2000, del Ministerio de Economía, Fomento y Reconstrucción, Su Excelencia el Presidente de la República emitió el siguiente decreto: ARTÍCULO PRIMERO: Reconócese como patrón nacional de medición, en la magnitud fuerza, el juego de doce patrones denominados Máquina de Masas Suspendidas y Transductores de Fuerza, clase 00, fabricados por IDIC y HBM e identificados mediante los números de serie que se indican: EQUIPO MARCA MODELO Nº DE SERIE CLASE CAPACIDAD Máquina de masa suspendidas Transductor de fuerza Transductor de fuerza Transductor de fuerza Transductor de fuerza Transductor de fuerza Transductor de fuerza Transductor de fuerza Transductor de fuerza Transductor de fuerza Transductor de fuerza Transductor de fuerza IDIC HBM HBM HBM HBM HBM HBM HBM HBM HBM HBM HBM -.Z3H2R Z3H2R Z3H2 Z3H2 Z3 C4 C4 C4 C4 KD/1MN KD/1MN 001 H 38330 H 42039 H 24436 H 44249 H 34929 023530193 023630004 H 52954 H 58617 034040001 034140036 -.0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1 kN 500 N 1 kN 5 kN 10 kN 20 kN 50 kN 100 kN 200 kN 500 kN 1 MN 3 MN ARTÍCULO SEGUNDO: Los patrones nacionales de medición señalados en el artículo precedente serán custodiados y administrados por la entidad denominada “Instituto de Investigaciones y Control del Ejército, IDIC”, en virtud del convenio referido en los considerandos de este decreto. 4. ORGANIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN En atención a las necesidades detectadas en la industria nacional, a los recursos técnicos y humanos disponibles para la implementación del proyecto y para obtener el máximo rendimiento metrológico de los equipos nombrados en el Decreto Supremo, éstos se organizaron en cuatro Patrones Nacionales que se indican en la Tabla siguiente: TIPO DEL PATRÓN CAP ESFUERZOS Maquina de Masas Suspendidas Sistema con Transductor de Fuerza de Referencia Sistema con Transductor de Fuerza de Referencia Sistema con Transductor de Fuerza de Referencia 1 kN 50 kN 500 kN 3 MN Tracción y Compresión Tracción y Compresión Tracción y Compresión Compresión En las siguientes fotografías se observa una vista general del área de calibración, en ella se aprecian los tres sistemas de generación de fuerza con transductor de referencia y la máquina de masas suspendidas. 4.1 MÁQUINA DE MASAS SUSPENDIDAS CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Fabricación Principio de funcionamiento Capacidad máxima Calibración en Número de masas : IDIC - CHILE : Aplicación de masas en el campo gravitatorio local : 1 kN : Tracción y compresión : 1 marco de carga 50 N 9 masas de 50 N 5 masas de 100 N Pasos de fuerza : 0,05...0,10...0,15................1 kN Mejor capacidad : 2 x 10-4 de medición Nivel de confianza : 95 % (k=2) 4.2 SISTEMA DE GENERACIÓN DE FUERZA CON TRANSDUCTOR DE FUERZA DE REFERENCIA PARA 50 KN CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Fabricación : Morehouse - EE.UU. Principio de : Generación de fuerza con funcionamiento cilindro pistón hidráulico, medida con transductor de fuerza de referencia Capacidad : 50 kN máxima Calibración en : Tracción y compresión Pasos de fuerza : 0,5 kN, 1 kN, …, 5 kN 1 kN, 2 kN, …, 10 kN 2 kN, 4 kN, …, 20 kN 5 kN, 10 kN, …, 50 kN Mejor capacidad : 5 x 10-4 de medición Nivel de confianza : 95 % (k=2) 4.3 SISTEMA DE GENERACIÓN DE FUERZA CON TRANSDUCTOR DE FUERZA DE REFERENCIA PARA 500 KN CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Fabricación : Morehouse - EE.UU. Principio de : Generación de fuerza con funcionamiento cilindro pistón hidráulico, medida con transductor de fuerza de referencia Capacidad : 500 kN máxima Calibración en : Tracción y compresión Pasos de fuerza : 10 kN, 20 kN, …, 100 kN 20 kN, 40 kN, …, 200 kN 50 kN, 100 kN, …, 500 kN Mejor capacidad : 5 x 10-4 de medición Nivel de confianza : 95 % (k=2) Foto N° 5: STFR de 500 kN 4.4 SISTEMA DE GENERACIÓN DE FUERZA CON TRANSDUCTOR DE FUERZA DE REFERENCIA PARA 3 MN CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Fabricación : Morehouse - EE.UU. Principio de : Generación de fuerza con funcionamiento cilindro pistón hidráulico, medida con transductor de fuerza de referencia Capacidad : 3 MN máxima Calibración en : Compresión Pasos de fuerza : 0,1 MN, 0,2 MN, …, 1 MN 0,3 MN, 0,6 MN, …, 3 MN Mejor capacidad : 5 x 10-4 de medición Nivel de confianza : 95 % (k=2)