METROLOGÍA P. Reyes / Sept. 2007 METROLOGÍA Dr. Primitivo Reyes Aguilar Septiembre 2007 Página 1 de 20 METROLOGÍA P. Reyes / Sept. 2007 Metrología Metrología. Es la ciencia de las mediciones. Deriva del griego “metrón” medida y “logos” lógica. Sus elementos clave son: El establecimiento de estándares de medición que sean internacionalmente aceptados y definidos El uso de equipo de medición para correlacionar la extensión que los datos del producto y proceso están conforme a especificaciones La calibración regular de equipos de medición, rastreables a estándares internacionales establecidos Apoya a la organización en la evaluación cuantitativa de las variables del proceso (longitudes, dimensiones, pesos, presiones, etc.) Factores considerados para determinar el periodo de calibración de los equipos de medición Intensidad de uso del equipo Posibles desgastes por el uso o degradación Errores identificados durante las calibraciones periódicas Correlación de las mediciones Es la comparación o correlación de las mediciones de un sistema de medición con los valores reportados por uno o más sistemas de medición diferentes Un sistema o dispositivo de medición puede usarse para comparar valores contra un estándar conocido, a su vez puede compararse a la media y desviación estándar de otros dispositivos similares Todas las mediciones reportadas de artefactos iguales o similares, son referidos como prueba de proficiencia o prueba de Round Robin. También se pueden comparar valores obtenidos de diferentes métodos de medición usados para medir diferentes propiedades. Página 2 de 20 METROLOGÍA P. Reyes / Sept. 2007 Por ejemplo la medición de dureza y resistencia de un metal, temperatura y expansión lineal de un artículo al ser calentado, y peso y número de pequeñas partes El manual MSA de la AIAG clasifica los errores del sistema de medición en cinco categorías: o Sesgo o exactitud o Repetibilidad o Reproducibilidad o Estabilidad o Linealidad El porcentaje de acuerdo ya sea entre el sistema de medición y los valores de referencia o el valor verdadero de la variable medida Puede estimarse con el coeficiente de correlación, r, con valores r=1 100% de acuerdo y r= 0 sin acuerdo. El sistema internacional de unidades SI clasifica las mediciones en 7 categorías: Longitud (metro) Tiempo (segundo) Masa (kilogramo) Corriente eléctrica (ampere) Temperatura (Kelvin) Iluminación (candela) Cantidad de sustancia (mole) Temperatura Temperatura en ºF = 1.8 (Temp ºC) +32 Temperatura en ºC = (Temp ºF – 32) / 1.8 Temperatura en ºK = Temp ºC + 273.15 Página 3 de 20 METROLOGÍA P. Reyes / Sept. 2007 Calibración Es la comparación de un estándar de medición o instrumento de exactitud conocida con otro instrumento para detectar, correlacionar, reportar o eliminar por ajuste, cualquier variación en la exactitud del instrumento que se está comparando. La eliminación del error es la meta primaria del sistema de calibración Variabilidad total del producto: la variabilidad total en el producto incluye la variabilidad del proceso de medición. 2 total 2 proceso 2 medición Errores de medición: el error del instrumento de medición es el valor del instrumento de medición menos el valor verdadero. 2 error 2 medicion 2 patron 2 medicion 2 patron 2 error Errores de medición: el intervalo de confianza para la media de las mediciones se reduce tomando mediciones múltiples de acuerdo al teorema del límite central con la siguiente relación: medicion lecturas n Errores de medición Hay muchas razones para que un equipo de medición genere variaciones por error, incluyendo las categorías siguientes: Variación por el operador Variación de operador a operador Página 4 de 20 METROLOGÍA P. Reyes / Sept. 2007 Variación del equipo Variación de los materiales Variación en procedimientos Variación en el software Variación de laboratorio a laboratorio Intervalo de calibración Es aceptado generalmente que el intervalo de calibración del equipo de medición se base en la estabilidad, propósito y grado de uso. La estabilidad se refiere a la habilidad de un instrumento de medición para manejar de manera consistente sus características metrológicas durante el tiempo. El propósito es importante, en general las aplicaciones críticas incrementan la frecuencia y las aplicaciones menores disminuyen la frecuencia. El grado de utilización o uso se refiere a que tan frecuentemente se utiliza el instrumento y a que condiciones ambientales se expone. El equipo de medición y prueba debe ser trazable a registros que indiquen la fecha de la última calibración, por quién fue calibrado y cuando está planeada su próxima calibración. Algunas veces se usa la codificación. Estándares de calibración El valor verdadero reconocido de acuerdo al SI se denomina Estándar Los estándares primarios de referencia son copias del kilogramo internacional y los sistemas de medición que responden a definiciones de las unidades fundamentales a las unidades derivadas de la tabla SI. Página 5 de 20 METROLOGÍA P. Reyes / Sept. 2007 Los estándares nacionales se toman como la autoridad central para evaluar la exactitud, y todos los niveles de estándares de trabajo son trazables a este “ gran” estándar Estándares internacionales En México se tiene el CENEAM o el Centro Nacional de Metrológia • En EUA se tiene el NIST (National Institute of Standards and Technologý) • Un Estándar primario es certificado por NIST o por una organización alterna que use procedimientos de calibración actualizados • Los Estándares secundarios son calibrados por el depto. de Metrología de las empresas en base a los estándares primarios, para efectos de calibración. Estándares de calibración La trazabilidad hacia debajo de la trazabilidad se muestra a continuación National Institute Standards and Technology Laboratorios de Estándares Laboratorios de Metrología Laboratorios de Sistema de Control de Calidad Centros de Trabajo Página 6 de 20 METROLOGÍA P. Reyes / Sept. 2007 La norma ISO 10012 Resumen del ISO 10012 “Quality assurance requirement for measuring euipment – Part 1: Metrological confirmation system for measuring equipment”. Contiene requerimientos de aseguramiento de calidad para asegurar que las mediciones sean hechas con la exactitud intencionada. Todos los equipos de medición deben ser identificados, controlados, y calibrados. Deben mantenerse los registros de la calibración y trazabilidad a estándares nacionales Debe determinarse la incertidumbre de la medición Se deben tener disponibles los procedimientos para asegurar que el equipo de medición no conforme no sea utilizado Debe establecerse un sistema de etiquetado que muestre la identificación única y su estado Se debe establecer la frecuencia de recalibración Las calibraciones deben ser trazables a estándares nacionales Se requieren procedimientos documentados para la calificación y entrenamiento del personal Sistema de Gestión de las Mediciones ISO 10012 – Requisitos para procesos de medición y equipos de medición Contenido 0. Introducción. 1. Alcance. 2. Referencias normativas. 3. Términos y definiciones. 4. Requerimientos generales. 5. Responsabilidad de la dirección. 6. Gestión de recursos. 7. Confirmación metrológica y realización del proceso de medición. Página 7 de 20 METROLOGÍA 8. P. Reyes / Sept. 2007 Análisis del sistema de gestión mediciones y mejora. Sistema de Gestión de las Mediciones ISO 10012 § 8.3 Mejora §5 Responsabilidad de la Dirección Requisitos de Medición del Cliente § 8 Análisis y mejora del sistema de gestión de Mediciones § 6 Gestión de Recursos Entradas Satisfacción del Cliente Salidas § 7 Realización del sistema de Gestión de Mediciones § 7.1 Proceso de Confirmación Metrológica Resultados de medición § 7.2 Proceso de Medición Modelo del Sistema de Gestión de las Mediciones Alcance de la norma ISO 10012 Proporcionar directrices para administrar los procesos de medición y confirmación metrológica del equipo de medición. Establecer los requisitos de calidad de un sistema de gestión de mediciones. Asegurar que se cumplan los requisitos metrológicos. Asegura: Que el equipo y los procesos de medición son los adecuados para el uso pretendido La Calidad del producto Administra: El riesgo de los resultados de medición incorrectos Página 8 de 20 METROLOGÍA P. Reyes / Sept. 2007 Métodos de medición • Cuidado de instrumentos de medición: los instrumentos de medición son costosos y deben tratarse con cuidado, deben calibrarse en base a un programa así como después de sospecha de daño • Superficies de Medición / Referencia: es la superficie de referencia para realizar las mediciones. • Herramientas de transferencia: no tienen escala de lectura, por ejemplo, los calibradores de resorte. La medición es transferida a otra escala de medición para lectura directa • Gages o escantillones por atributos: son gages fijos para inspección pasa no – pasa. Por ejemplo gages maestros, plug gages, gages de contorno, thread gages, gages de límite de longitud, gages de ensamble. Sólo indican si el producto es bueno o malo. • Gages o escantillones por variables: proporcionan una dimensión física. Por ejemplo reglas lineales, calibradores verniers, micrómetros, indicadores de profundidad, indicadores de excentricidad, etc. Indican si el producto es bueno o malo respecto a las especificaciones para capacidad Selección por atributos • Son pruebas de selección realizadas en una muestra con dos resultados posibles, aceptable o no aceptable. • Como se realiza a toda la población o a una proporción grande de la misma, debe ser de naturaleza no destructiva. Página 9 de 20 METROLOGÍA P. Reyes / Sept. 2007 Selección por atributos, características principales: • Un propósito claramente definido • Alta sensibilidad al atributo evaluado. Equivale a una tasa baja de negativos falsos. • Alta especificidad al atributo que está siendo medido. Esto equivale a una baja tasa de positivos falsos. • Los beneficios del programa sobrepasan los costos • Los atributos medidas identifican problemas importantes (series y comunes) • Los resultados guían a acciones útiles Gages (gauges) bloques patrón: • Carl Johansson desarrolló bloques de acero como estándares de medición con exactitud de unas pocas millonésimas de pulgada • Los bloques patrón o “Jo” se hacen de acero con aleación al alto carbón y cromo, carburo de tungsteno, carburo de cromo o cuarzo fundido • Se usan para establecer una dimensión de longitud de referencia para una medición de transferencia, y para calibración de varios instrumentos de medición Página 10 de 20 METROLOGÍA • P. Reyes / Sept. 2007 Se pueden apilar con la ayuda de una capa delgada de aceite que expulsa el aire. Usar poca presión en el proceso Juegos de Gages (gauges) de bloques patrón: • El contenido de un juego de 81 piezas son: • Bloques de diezmilésimas (9): 0.1001, 1002,..,0.1009 • Bloques de una milésima (49): 0.101, 0.102…0.149 • Bloques de 50 milésimas (19): 0.050, 0.100…0.950 • Bloques de una pulgada (4): 1.000, 2.000,…, 4.000 Calibradores: • Los calibradores se utilizan para medir dimensiones de longitud, internas, externas, de altura, o profundidad. • Son de los siguientes tipos: Calibradores de resorte, calibradores de reloj, verniers y calibradores, calibradores digitales • Calibradores de resorte: los calibradores proporcionan una exactitud de aproximadamente 1/16” al transferir a una regla de acero Página 11 de 20 METROLOGÍA • P. Reyes / Sept. 2007 Calibradores verniers: usan una escala para indicar la medición de longitud. Ahora se han reemplazados con reloj o indicador digital. Para el caso de una longitud de 1.069” se leería como sigue: • Calibradores de reloj: la lectura se hace en la escala con resolución cercana a 0.1” y un reloj con resolución de 0.001”. • Calibradores digitales: usan un display digital con lectura en pulgadas o en milímetros y un cero que puede ser puesto en cualquier punto del viaje. La resolución es del orden de 0.0005 Comparadores ópticos • Usan un haz de luz dirigido hacia la parte a ser inspeccionada, y la sombra resultante es amplificada y proyectada en una pantalla. • La imagen puede medirse al comparar con una plantilla maestra o medir la silueta en la pantalla o tomando las lecturas. Para pasar la inspección, la silueta de la sombra debe encontrarse entre los límites de tolerancia predeterminados. Micrómetros • Los “mics” se pueden adquirir con tamaños de cuerpo para 0.5” a 48”. La mayoría tiene una exactitud de 0.001” y con un vernier o indicador puede llegar a 0.0001”. En cuartos con temperatura y humedad controlada se pueden hacer medidas lineales de hasta millonésimas de pulgada Página 12 de 20 METROLOGÍA • P. Reyes / Sept. 2007 Pueden hacer mediciones de interiores, exteriores, porfundidad, cuerdas, etc. Las dos escalas utilizadas son la del cuerpo y la del tambor, a continuación se muestra un ejemplo: • Mediciones de resistencia a la tensión: la resistencia a la tensión es la habilidad de un metal a resistir su rotura. Se aplica una carga a una barra de prueba y se incrementa gradualmente hasta que la barra se rompa. Se pueden analizar los datos de tensión usando curvas de esfuerzo – deformación, que muestra la carga vs la elongación. • Prueba de corte: es la habilidad para resistir un esfuerzo de “cuchilla cortante” cuando se aplican fuerzas paralelas ligeramente fuera de eje. • Prueba de compresión: la comprensión es el resultado de fuerzas actuando unas contra otras. Se aplica una carga y se registra la deformación. Se puede obtener una curva de esfuerzo – deformación con los datos • Prueba de fatiga: la fatiga es la habilidad del material a resistir cargas repetitivas. En varios niveles de esfuerzo, se cuenta el número de ciclos hasta que ocurre la falla • Titulación: es un método de análisis que permite la determinación de cantidades precisas de reactivos en el matraz. La solución a ser Página 13 de 20 METROLOGÍA P. Reyes / Sept. 2007 analizada se prepara en el matraz Erlenmeyer. Un indicador como el azul de metileno es adicionado a la solución. Se usa una bureta para liberar el segundo reactivo al matraz y un indicador o medidor de pH se utiliza para determinar el punto final de la reacción. El indicador cambia de color cuando se llega al punto final. • Medición de dureza: la medición de dureza se realiza al crear una marca en la superficie del material con un balín duro o una pirámide de diamante y después se mide la profundidad de penetración • Medición de torque: esta medición se requiere cuando el producto se sujeta con tornillos y tuercas. El torque es una fuerza que produce rotación alrededor de un eje (Torque = fuerza x Distancia) Página 14 de 20 METROLOGÍA • P. Reyes / Sept. 2007 Prueba de impacto: la resistencia al impacto es la habilidad del material para resistir el impacto. Las pruebas de Charpy e Izod usan muestras que son golpeadas por un péndulo calibrado • La regla de acero: la regla de acero se utiliza para lecturas directas. Sus divisiones están en fracciones de pulgada milímetros • Placas de medición (mármol): son planos de referencia para mediciones dimensionales. Usualmente son utilizados con accesorios planos, angulares, paralelos, bloques en V y bloques cilíndricos apilados • Indicadores de reloj: son instrumentos mecánicos para medir variaciones de distancia. Muchos indicadores de reloj amplifican la lectura de un punto de contacto por medio de un mecanismo interno de engranes. Tienen resoluciones de 0.00002” a 0.001” con un rango amplio de mediciones. • Ring gages o gages de cuerdas: se usan para inspeccionar dimensiones cilíndricas externas y frecuentemente se denominan Página 15 de 20 METROLOGÍA P. Reyes / Sept. 2007 “gages go no go”. Un ring gage de cuerdas se usa para checar cuerdas macho. • Plug gages o gages de diámetros: se usan para inspeccionar dimensiones cilíndricas internas y frecuentemente se denominan “gages go no go” o “gages pasa no pasa”. Un plug gage de cuerdas se usa para checar cuerdas hembra. En lado se indica en verde la sección de Pasa y en el otro lado se indica en roja la No Pasa. • Gages neumáticos: los tipos de gages de amplificación neumática incluyen unos accionados variando la presión de aire y otros al variar la velocidad del aire con presión constante. Las mediciones pueden ser leídas en millonésimas de pulgada. • Interferometría: se forma interferencia cuando dos o más haces de luz monocromática de la misma longitud de onda se defasan 180º viajando en diferentes distancias. Las irregularidades se evidencian alternando las bandas obscura y de luz Página 16 de 20 METROLOGÍA • P. Reyes / Sept. 2007 Gages diseñados con Laser: el haz de luz Laser se transmite a un receptor del lado puesto del gage. Las mediciones se realizan cuando el haz es obstaculizado por un objeto y el receptor registra esta dimensión. • Máquina de Medición por Coordenadas (CMM): las partes a medir se colocan en la placa de mármol y un sensor se manipula para tener varios puntos de contacto usando el sistema de mediciones controlado por computadora tomados en tres ejes perpendiculares entre sí. • Pruebas no destructivas (NDT) y evaluaciones no destructivas (NDE): son técnicas para evaluar las propiedades de los materiales sin afectar la utilidad futura de los artículos probados. Incluyen el uso de automatización, prueba al 100% del producto y la garantía de adecuación interna. Algunos resultados requieren considerable habilidad para su interpretación. • Inspección visual: la inspección visual de color, textura y apariencia proporciona información valiosa. EL ojo humano es apoyado por lentes de aumento u otros instrumentos. Esta inspección también se denomina inspección de exploración (scanning) • Pruebas ultrasónicas: las ondas ultrasónicas se generan en un transductor y se transmiten a través de un material que puede tener defectos. Parte de las ondas chocan en el defecto y se reflejan como ecos a la unidad receptora, que las convierte en picos en la pantalla. Para pruebas no destructivas se utiliza un rango de frecuencias de 200 a 250,000 Khz. Página 17 de 20 METROLOGÍA • P. Reyes / Sept. 2007 Pruebas con partículas magnéticas: o La inspección con partículas magnéticas es un método no destructivo de detectar la presencia de defectos o poros ya sean superficiales o internos en metales o aleaciones ferromagnéticos. o Se magnetiza la parte y después se aplican partículas de acero en la superficie de la parte bajo prueba. Las partículas se alinean con el campo magnético y se concentran en lugares donde las líneas entran o salen de la parte. o La parte bajo prueba se examina en las áreas de concentración de partículas magnéticas que indicarían presencia de discontinuidades o Se usa corriente alterna para descubrir la presencia de defectos superficiales, mientras que con corriente directa proporciona mayor sensibilidad para la localización de defectos internos. Se cuenta con métodos secos y húmedos • Pruebas con líquidos penetrantes: la inspección con líquidos penetrantes es un método rápido para detectar defectos en la Página 18 de 20 METROLOGÍA P. Reyes / Sept. 2007 superficie en todo tipo de materiales. El líquido aplicado contiene una tinta que penetra en el defecto por capilaridad contrastado por una limpieza. Requiere observación cuidadosa. • Pruebas con corrientes parásitas de Eddí: o Las corrientes parásitas son inducidas en un objeto bajo prueba al pasar una corriente alterna en una bobina colocada cerca de la superficie del objeto bajo prueba. o Un campo electromagnético es producido en el objeto bajo prueba que puede ser comparado con un estándar. • Pruebas con Radiografía o Se pueden dirigir Rayos X o Rayos Gama a través de un objeto bajo prueba sobre una placa fotográfica y las características internas de la parte pueden ser reproducidas y analizadas. o Para un análisis adecuado, se deben establecer estándares de referencia para evaluar los resultados. Una radiografía puede mostrar poros, inclusiones, y fracturas si se encuentran en el plano adecuado y son suficientemente grandes. • Pruebas con Radiografía de neutrones: los neutrones son partículas atómicas sin carga que se mueven por los materiales sin afectar su densidad. Son dispersados o absorbidos por partículas en el nucle atómico en vez de los electrones. El objeto se coloca en un haz de neutrones en frente de un detector de imagen. Página 19 de 20 METROLOGÍA P. Reyes / Sept. 2007 Otras técnicas relacionadas: aplicaciones recientes incluyen fluoroscopia, radiografía gama, rayos X televisados, pruebas con microondas e inspección holográfica Página 20 de 20
