Guia VARIABLE MASA Y BALANZAS

VARIABLE MASA Y BALANZAS. GUIA DE CALIBRACIÓN
INTRODUCCIÓN
Las medidas de masa son practicadas ampliamente tanto a nivel industrial como comercial. La
masa se define como la cantidad de materia que contiene un cuerpo, sin embargo, la medida
de la masa se lleva a cabo “pesando” el cuerpo, usando una variedad de balanzas. La masa y el
peso son normalmente confundidos como sinónimos, sin embargo, son cantidades diferentes.
La masa se define como la cantidad de materia de un objeto. También suele definirse el
concepto de masa, por la segunda ley de Newton,
F=mxa
Cada objeto posee una propiedad llamada “masa”, la cual aparece en la ecuación como la
constante de proporcionalidad entre una fuerza aplicada a un objeto de masa m y la
aceleración resultante de ese objeto.
El peso de un objeto es la fuerza experimentada por él debido a la gravedad de la tierra.
ASPECTOS GENERALES DE LA CALIBRACIÓN
Elementos de la calibración
La calibración consiste en



la aplicación de cargas de prueba al instrumento para pesar bajo condiciones
especificadas,
la determinación del error o variación de la indicación, y
la estimación de la incertidumbre de la medición a ser atribuida a los
resultados.
Alcance de la calibración
A menos que el cliente lo requiere de otra manera, una calibración cubre el alcance de
pesada completo, desde cero hasta la capacidad máxima Max . El cliente puede especificar una
parte especial del alcance de pesada, limitado por una carga mínima n Mi ′ y la carga mayor a
ser pesada x Ma ′, o cargas individuales nominales para las cuales requiere calibración.
Condiciones previas, preparaciones
La calibración no debería realizarse a menos que
1. el instrumento para pesar pueda ser claramente identificado,
2. todas las funciones del instrumento para pesar están libres de los efectos de
contaminación o daño y las funciones esenciales necesarias para la calibración funcionen
según su propósito,
3. la presentación de los valores de pesada no es ambiguo y las indicaciones, si existen,
se puedan leer fácilmente,
1
4. la condiciones normales de uso (flujo de aire, vibraciones, estabilidad, del lugar de
pesada, etc.) son apropiados para el instrumento para pesar que se calibrará,
5. el instrumento se enciende un período antes de la calibración, p. e., un tiempo
apropiado para que el instrumento se caliente, ó el adoptado por el cliente,
6. si aplica, el instrumento este nivelado,
7. el instrumento ha sido ejercitado al colocar una carga cercana al alcance
máximo al menos una vez, se recomienda repetir varias pesadas.
INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN: BALANZAS Y BÁSCULAS
-
-
-
-
BALANZAS ANALÍTICAS: Son balanzas de alta resolución, pertenecientes a la clase I,
en algunos casos a la clase II. Se utiliza generalmente en análisis químicos; presenta
baja capacidad máxima (max) con un rango entre 50 g hasta 210 g. Sus divisiones de
escala más generalizadas son: 0.0001 g y 0.000001 g.
BALANZAS DE PRECISIÓN: No definidas reglamentariamente, se designa por lo
general con esta denominación a las balanzas clase II; sus divisiones de escala varían
entre los 0.001 g; 0.01 g y 0.1 g. Su capacidad máxima (max) oscila entre 210 g y
8100g.
BALANZAS INDUSTRIALES: Pertenecientes a la clase III, generalmente presentan
divisiones de escala de 0.1 g y 1 g. Su capacidad máxima (max) puede encontrarse
entre los 8100 g y los 30000 g.
BÁSCULAS COMERCIALES: Con capacidad máxima mayor de 30 kg. Se pueden
clasificar5 dentro de la clase III. Su división de escala puede ir desde 1 g hata más o
menos 10 kg, con capacidades máximas mayores de 30000 g. Las básculas comerciales
pueden ser clase III o clase IIII
Determinación de la clase de precisión de la balanza y la carga mínima.
Para determinar la clase de precisión de la balanza, en caso de que ésta se desconozca,
primero se debe conocer la división de escala de verificación (e) de la siguiente manera (d
es la división de escala de la balanza y es suministrada por el fabricante en la placa de
especificaciones del equipo):
si d ≥ 10 mg ó 0.01 g, e = d
si d < 10 mg ó 0.01 g, e = 10d
Luego se calcula el número de divisiones de escala de verificación (n) así:
n = max / e
Donde max = carga máxima.
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Tabla 1. Cuadro para la clasificación de los instrumentos de pesaje
Clase de precisión
DIVISIÓN DE
ESCALA DE
VERIFICACIÓN(e)
Numero de divisiones de escala de
Carga mínima
verificación
"min"
n = máx/e
(Límite inferior)
Mínimo
Máximo
Especial Clase I
e < 0,001 g
0,001 g ≤ e
Fina Clase II 0,001 g ≤ e ≤ 0,05 g
0,1 g ≤ e
Media Clase III
0,1 g ≤ e ≤ 2 g
5g≤e
Ordinaria Clase
5g≤e
IIII
NTC 2031 versión 2002.
50 000
-
50 e
100 e
100
5 000
100
500
100 000
100 000
10 000
10 000
20 e
50 e
20 e
20 e
100
1 000
10 e
Ejemplo: Clasifiquemos una balanza con max=1000g y una d=1g.
Si d=1g, entonces e= 1g
Calculamos n=max/e. En este caso n=1000
Habiendo determinado que n = 1000, procedemos a buscar en la tabla No. 1 de la NTC 2031
Clasificación de los instrumentos el intervalo que contiene este valor. Como vemos, n = 1000 se
encuentra en el intervalo que contiene entre 100 y 10 000 divisiones de escala de verificación
y cuya e = 1 g con lo que determinamos que el instrumento es de Clase
media y la carga
mínima es de 20 g. Esto quiere decir que si se quiere pesar algo menor a 20 g con este equipo,
el valor reportado no será confiable.
Determinación de las cargas baja, media, alta y la tolerancia del instrumento.
Para definir las cargas baja, media y alta de la balanza analítica y la tolerancia del instrumento,
se tiene en cuenta la clase de precisión de la balanza hallada anteriormente. Las cargas y
tolerancia son determinadas mediante la tabla 2, para cargas “m”, con “m” expresado en
divisiones de escala de verificación “e”.
Estas cargas establecidas se usan para determinar, según sea conveniente, las pesas
patrón necesarias para calibrar la balanza.
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Tabla 2. Determinación de cargas y tolerancia del instrumento.
Proceso de Calibración
Uno de los métodos más aceptados para la calibración de instrumentos de medición es el de
comparación directa con un patrón. En este método se comparan los valores proporcionados
por el equipo o instrumento de medida al medir uno o varios patrones de los que conocemos
sus valores de las magnitudes deseadas.
Patrón de medida en la calibración de una balanza: pesas patrón
En el caso de la calibración de una balanza, el valor generado normalmente vendrá
proporcionado por pesas patrón, pesas individuales de valor conocido. Dentro de las pesas
patrón, las más frecuentes son las de acero inoxidable pulido, latón (cromado o no) y alguna
vez de aleaciones de aluminio para las laminillas de subdivisión del gramo. Estas pesas
generalmente se presentan en una caja que contiene una serie de pesas de varias masas y
pueden adquirirse en los laboratorios de calibración. Según la recomendación R 111 de la
Organización Internacional de Metrología Legal (OIML), las pesas patrón de hasta 50 kg
pueden clasificarse en 7 clases diferentes según las tolerancias asociadas a cada una de ellas:
- Clases E1 y E2: pesas de exactitud muy grande, con las mínimas tolerancias asociadas,
utilizadas únicamente por los laboratorios de calibración. Deben ser hechas en una sola pieza,
no tienen cámara de rectificación, no tiene marcado su valor nominal
- Clases F1 y F2: pesas de gran exactitud, utilizadas como patrones de referencia por los
servicios de metrología. Las F1 pueden tener cámara para ser ajustadas y presentan su valor
nominal marcado. Las F2 tienen su valor nominal marcado con la letra F
- Clases M1, M2 y M3: pesas con las mayores tolerancias asociadas de las 7 clases, utilizadas
como patrones de trabajo. Son las de menor jerarquía, construidas en dos piezas. Fabricadas
en acero inoxidable, latón, fundición gris, acero cromado, aluminio y plata alemana. De forma
rectangular, cilíndricas o poligonales
Las tabla 3 y 4 resumen las diferentes clasificaciones de las pesas patrón y sus respectivas
tolerancias
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Tabla 3. Clasificaciones de las pesas patrón
CLASE
TIPO DE PRECISIÓN
E1, E2
Precisión Extra-fina
F1,F2,M1
Precisión Fina
M2
Precisión Media
M3
Media Comerciales
CLASE DE INSTRUMENTO
CLASE I
CLASE II
CLASE III
CLASE IIII
Tabla 4. Errores máximos tolerados para pesas en verificación
Valor
nominal
E1
E2
F1
F2
M1
M2
Errores máximos tolerados en mg
M3
1 mg
2 mg
5 mg
10 mg
20 mg
50 mg
100 mg
200 mg
500 mg
0,002
0,002
0,002
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,008
0,006
0,006
0,006
0,008
0,010
0,012
0,015
0,020
0,025
0,020
0,020
0,020
0,025
0,030
0,040
0,050
0,060
0,080
0,06
0,06
0,06
0,08
0,10
0,12
0,15
0,20
0,25
0,20
0,20
0,20
0,25
0,30
0,40
0,50
0,60
0,80
1,5
2,0
2,5
1g
2g
5g
10 g
20 g
50 g
100 g
200 g
500 g
0.010
0.012
0.015
0.020
0.025
0.030
0.050
0.100
0.250
0.03
0.04
0.05
0.06
0.08
0.10
0.15
0.30
0.75
0.10
0.12
0.15
0.20
0.25
0.30
0.50
1.00
2.50
0.3
0.4
0.5
0.6
0.8
1.0
1.5
3.0
7.5
1.0
1.2
1.5
2.0
2.5
3.0
5
10
25
3
4
5
6
8
10
15
30
75
10
12
15
20
25
30
50
100
250
1 kg
2 kg
5 kg
10 kg
20 kg
50 kg
0.5
1
2.5
5
10
25
1.5
3
7.5
15
30
75
5
10
25
50
100
250
15
30
75
150
300
750
50
100
250
500
1000
2500
150
300
750
1500
3000
7500
500
1000
2500
5000
10000
25000
Las tolerancias máximas asociadas a una pesa patrón de la misma masa son crecientes desde
la clase E1 hasta la clase M3. Por ejemplo, para una pesa patrón de 10 g, la clase E1 tiene una
tolerancia de ± 0.02 mg y la clase M3 de ± 50 mg.
Calibración de una balanza
El proceso de calibración que se describe a continuación es aplicable a balanzas monoplato
que pueden ser mecánicas o electrónicas, con escala continua en todo su campo de medida.
5
La balanza se calibra utilizando el método de medida directa. Por tanto, este método es
aplicable cuando se utiliza la balanza para efectuar medidas absolutas. No es aplicable en el
caso en que se hagan medidas diferenciales, es decir, cuando se realicen medidas de
diferencias respecto de un patrón.
El proceso de calibración constará de los siguientes pasos:
Operaciones previas
En primer lugar se debe verificar que la balanza a calibrar se encuentre en buen estado: debe
estar limpia y ubicada en un sitio libre de vibraciones y fuentes de calor. En el proceso de
calibración se utilizarán generalmente pesas patrón descritas en el apartado anterior.
Previamente al proceso de calibración, las pesas patrón se deben limpiar con una mezcla de
éter y alcohol, y se han de dejar estabilizar en las condiciones del recinto de calibración
durante las 12 horas previas a la calibración. También se tiene que asegurar la estabilidad de
la temperatura durante la calibración (ésta deberá realizarse en una sala con temperatura
controlada a 20 ± 1° C), así como de la presión atmosférica y de la humedad.
- Definir si el instrumento es balanza o báscula
- Diferenciar el funcionamiento (electrodigital, análoga, mecánica de doble brazo entre
otras)
- Determinar la carga máxima (max)
- Ubicar la división de escala (d)
- Calcular n = max/e (según la tabla de clasificación de los instrumentos de pesaje)
- Clasificar la balanza y/o báscula (I,II,III,IIII)
- De acuerdo a lo anterior, se determinan los rangos obtenidos (carga mínima – carga
máxima)
- Seleccionar los patrones de acuerdo a los rangos calculados
- En las balanzas o básculas electrodigitales, determinar el Aumento ∆ : Es la carga
mínima que se agrega al instrumento de pesaje para que se manifieste un cambio en el
último dígito de la indicación respectiva
- En las balanzas análogas o mecánicas no se evalúa el aumento, ni la prueba de
movilidad.
- Realizar la calibración del equipo en sus cinco pruebas (exactitud, invariabilidad,
movilidad, excentricidad de carga y constancia del punto cero)
- Se obtienen los errores máximos tolerados en la calibración para cada rango
- Si el equipo está usado el error obtenido se multiplica por dos
- La evaluación final de calibración determina si el equipo cumple o no cumple con la
norma NTC-2031-2002
PROCEDIMIENTO PARA LA CALIBRACIÓN DE BALANZAS DE PESAJE DIGITAL DE
FUNCIONAMIENTO
En la calibración de los instrumentos de medición en la variable masa se presentan
básicamente cinco pruebas a realizar:
1. Prueba de exactitud
Consiste en realizar un barrido en todo el rango de la balanza en forma ascendente y
descendente utilizando una gama de pesas patrón, las cuales cubran el rango total del
instrumento.
6
Los puntos de medida serán aproximadamente del 0, 0.1, 1, 5, 10, 20, 40, 60, 80 y 100% del
rango.
El número de veces a aplicar la carga depende de la Clase de Precisión de la Balanza (C.P.B).
Si C.P.B es inferior a 10-6 (balanzas de precisión), se aplicará diez veces la carga.
Si C.P.B es igual o superior a 10-6 (balanzas analíticas y comunes) se aplicará cinco veces la
carga.
El proceso a realizar en la calibración es el siguiente:
a) La calibración se inicia ajustando el cero, y se anota este como primer valor tomado, si
no es posible ajustar el cero se anota el valor indicado por la balanza sin carga alguna.
b) A continuación se coloca sobre el plato una masa equivalente a aproximadamente
0,1% del rango de medida. Esperar la estabilidad de la indicación y anotar el valor
obtenido en la hoja de datos.
c) Repetir el apartado "b" colocando sucesivamente pesas equivalentes a 1, 5, 10, 20, 40,
60, 80 y 100% del rango máximo o del rango de medida. Tenga cuidado de no dejar
llegar la balanza a cero.
d) Repetir los apartados "b" y "c" el número de veces que se ha determinado a partir de la
clase de precisión de la balanza C.P.B. Realizar este procedimiento inicialmente en
forma ascendente y luego descendente.
EJEMPLO:
 Colocar la pesa 1, anotar la indicación en la tabla respectiva del formato de adquisición
de datos que usted elabore
 Ubicar la pesa 2 y quitar la primera pesa y anotar la indicación en la tabla
 Ubicar la pesa 3 y quitar la segunda pesa y anotar la indicación en la tabla
 Hacer lo mismo con todas las pesas en orden ascendente (respecto a su valor).
 Repetir desde el paso inicial, pero en orden descendente (respecto al valor de las
pesas)
 Realizar este procedimiento tantas veces como se determinó de acuerdo a la clase de
precisión de la balanza
2. Prueba de invariabilidad
Consiste en cargar cinco veces el instrumento de pesaje con pesas patrón que representen los
rangos establecidos por la balanza. Inicialmente debe escoger las pesas patrón (individuales o
suma de ellas) que corresponda a un valor representativo de carga baja, media y alta.


Coloque en el platillo la primera pesa de verificación de carga baja.
Calcular el error con la siguiente fórmula (para balanzas digitales):
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 𝐼𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 − 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 + 1/2(𝑑 − 𝑒)







Retirar la pesa y volverla a colocar sobre el platillo
Calcule el error nuevamente
Repetir el procedimiento indicado 6 veces.
Calcular el error máximo de la pesada (𝐸 𝑚𝑎𝑥 − 𝐸 𝑚𝑖𝑛)
Retirar la pesa de bajo rango (carga baja)
Colocar sobre el platillo de la balanza la segunda pesa de verificación que debe
corresponder a una pesa de Carga media.
Repetir el procedimiento anterior hasta calcular el error máximo de la pesada.
7

Repetir el procedimiento para una pesa de verificación de la carga alta.
3. Prueba de movilidad
La prueba de movilidad consiste en colocar las cargas que se hayan escogido para que
representen los diferentes rangos de pesaje (carga baja, media y alta) y agregar para cada uno
de estos valores una carga de aproximadamente 1,4 veces la división de escala (d)
Se evalúa el comportamiento de la balanza aumentando por cada una de las pesas patrón
elegidas una pesa igual a 1,4 (d) y se observa que el incremento en la indicación sea similar o
igual a una división de escala. Es decir que la variación sea inferior a dos dígitos de la lectura
de la balanza.
4. Prueba de excentricidad de carga
Consiste en calcular 1/3 de la carga máxima del instrumento y evaluarla en distintos puntos
del receptor, evaluando simultáneamente el aumento.
2
3
2
3
1
4
1
5
4
5
Se ubica en el receptor en cada uno de los puntos señalados, 1/3 de la capacidad máxima. Para
mayor facilidad, se usa un valor aproximado al múltiplo de diez más cercano.
Ejemplo:
83.33g = 80g
86.66g = 90g En cada punto se evalúa el aumento
Nota: Esta prueba no se realiza en básculas mecánicas o análogas de doble brazo


Colocar la carga en forma consecutiva en cada uno de los puntos de acuerdo a la figura
y volver a colocar la carga en el punto 1. En cada pesada hay que esperar que se
estabilice la lectura. Se registra la indicación en cada punto. Se calcula el error en cada
punto.
Se calcula el error de acuerdo a la fórmula utilizada en el análisis de invariabilidad. El
criterio de aceptación es que el error de cada medición no debe superar el error
máximo tolerado para cada rango de medición (tabla 2).
5. Prueba de constancia del cero






Colocar sobre la plataforma un valor de carga igual a la carga máxima.
Esperar que se estabilice la lectura.
Anotar en la tabla correspondiente la indicación y la hora en que se está colocando la
pesa.
Dejar cargada la balanza durante 30 minutos.
Retirar la pesa de la plataforma.
Anotar en el protocolo el valor indicado inmediatamente después de que el equipo
haya quedado sin carga y estabilizado.
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
El criterio de aceptación, es que el error calculado entre los dos datos no sea mayor a
0.5e.
CALCULO DE LA INCERTIDUMBRE
Las medidas únicas realizadas con la balanza, tienen las siguientes fuentes de
incertidumbre:
a) La imprecisión de las medidas, ocasionada por errores aleatorios. Este componente de la
incertidumbre puede ser calculado a partir de la desviación típica de las medidas repetidas.
b) La resolución (r) de la balanza, que ocasiona errores aleatorios de redondeo. La amplitud
de la distribución de posibles errores es igual a la resolución y, en ese intervalo, cualquier
valor tiene las mismas probabilidades de producirse (distribución rectangular o uniforme). En
este tipo de distribución, la desviación típica es igual a la amplitud de la distribución dividida
por la raíz cuadrada de 12.
La incertidumbre ocasionada por la resolución de la balanza interviene tanto en el proceso de
ajuste a cero (o tara) del instrumento (ur1), como en la medida de la masa a determinar (ur2).
En ambos casos tiene el mismo valor.
c) La incertidumbre del valor convencional de los patrones. Se calcula a partir de los datos que
proporciona el certificado de la pesa patrón: la incertidumbre expandida (Up), generalmente
para el 95% de confianza, y el valor del factor de cobertura empleado (habitualmente kp = 2)
Cuando se utiliza una combinación de dos (o más pesas), la incertidumbre de la combinación
se calcula a partir de las incertidumbres de cada pesa:
d) Otros componentes de la incertidumbre como el ocasionado por el empuje del aire (que se
relaciona con las densidades de aire y material medido) así como la incertidumbre de la
densidad del material pueden ser ignorados por su escasa relevancia en las aplicaciones
habituales.
La incertidumbre combinada típica (Uc ) puede calcularse a partir de la suma de cuadrados de
las incertidumbres de cada componente:
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y la incertidumbre combinada expandida (Uc) para el intervalo de confianza de
aproximadamente el 95% resulta de multiplicar la anterior por el factor de cobertura 2.
10