METROLOGÍA 1 Importancia de la Metrología • Dependemos de mediciones en casi todos los aspectos de nuestra vida cotidiana. • Las mediciones son una parte integral de todo proceso de fabricación. • Son necesarias para asegurar la consistencia del producto fabricado con sus especificaciones. • Indispensables para asegurar que las diferentes partes de un producto complejo ensamblen de acuerdo al diseño. Importancia de la Metrología – Sirve para: • Proveer, mantener y diseminar un conjunto consistente de unidades. • Dar una base sobre la cual se pueda fundamentar la obligación del cumplimiento de normas de equidad en el comercio expresadas por las leyes de pesas y medidas. • Suministrar los datos necesarios para el control de calidad en la industria, el cuidado del ambiente o de la salud. Vocabulario Internacional de Metrología Contenido del VIM 1. 2. 3. 4. Magnitudes y unidades. Mediciones. Dispositivos de medida. Propiedades de los dispositivos de medida. 5. Patrones de medida. Magnitud • Propiedad de un fenómeno, cuerpo o sustancia que puede expresarse cuantitativamente mediante un número y una referencia. – Longitud, l, – Energía, E, – Resistencia eléctrica, R – Dureza Rockwell, HRC 7 magnitudes básicas • • • • • • • Longitud Masa Tiempo Corriente eléctrica Temperatura termodinámica Cantidad de sustancia Intensidad luminosa Magnitud derivada • Magnitud, … , definida en función de las magnitudes de base … – Densidad = masa/volumen Naturaleza de una magnitud: propiedad común a magnitudes mutuamente comparables. – Calor, energía cinética y energía potencial se consideran magnitudes de la misma naturaleza. Medición • La observación de un fenómeno es en general, incompleta a menos que dé lugar a una información cuantitativa. Para obtener dicha información, se requiere la medición de una propiedad física. •La medición es la técnica por medio de la cual asignamos un número a una propiedad física, como resultado de una comparación de dicha propiedad con otra similar tomada como patrón, la cual se ha adoptado como unidad. Medición • Esto, nos pone de manifiesto la necesidad de establecer una única unidad de medida para una magnitud dada, de modo que la información sea comprendida por todas las personas. Unidad de medida • Magnitud escalar real, definida y adoptada por convenio, con la que se puede comparar cualquier otra magnitud de la misma naturaleza para expresar la relación entre ambas mediante un número. Unidad de base • Unidad de medida adoptada por convenio para una magnitud de base. – METRO unidad de base de longitud. Unidad derivada • Unidad de medida de una magnitud derivada – Velocidad: metro/segundo. Sistemas de unidades • Conjunto de unidades de base y unidades derivadas, sus múltiplos y submúltiplos, definidos conforme a reglas dadas, para un sistema de unidades dado. Reseña histórica sobre SIU Se estableció en Francia con el fin de solventar los dos grandes inconvenientes que presentaban las antiguas medidas: • Unidades con el mismo nombre variaban de una provincia a otra. • Las subdivisiones de las diferentes medidas no eran decimales, lo cual representaba grandes complicaciones. En 1795 se instituyó en Francia el Sistema Métrico Decimal. El Sistema Métrico se basó en la unidad, "el metro", con múltiplos y submúltiplos decimales. A lo largo del tiempo la definición del metro fue tomando distintas formas con el fin de que se pueda reproducir con mayor exactitud y conservar a lo largo del tiempo: 1- El metro fue definida como la diezmillonésima parte de la longitud de un cuarto del meridiano terrestre. 2- Luego se fabricó una barra de platino, que representaba la nueva unidad de medida. 3- En 1960, la XI Conférence Générale des Poids et Mesures reemplazó la definición por la longitud igual a 1 650 763,73 longitudes de onda en el vacío de la radiación correspondiente a la transición entre los niveles 2p10 y 2d5 del átomo de kriptón 86. 4- En 1983, la XVII Conférence Générale des Poids et Mesures, definió al metro como la longitud de trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo. Sistema Internacional de Unidades •Fue creado en 1960 por la Conferencia General de Pesos y Medidas, que inicialmente definió seis unidades físicas básicas. En 1971 se añadió la séptima unidad básica. •Sus unidades están basadas en fenómenos físicos fundamentales, a excepción de la unidad de la magnitud masa, el kilogramo, que está definida como «la masa del prototipo internacional del kilogramo» . •Las unidades del SI son la referencia internacional de las indicaciones de los instrumentos de medida y a las que están referidas a través de una cadena ininterrumpida de calibraciones o comparaciones. SIU permite intercambiabilidad comercial SIU Es adoptado República Argentina mediante Sistema Métrico legal Argentino SIMELA crea Ley N° 19.511 En el año 1972 Se incorporan unidades necesarias para satisfacer requerimientos de empleo en determinados campos, no contemplados en el sistema internacional. SIMELA Básicas Derivadas Dimensionales Con nombres especiales Adimensionales Sin nombres especiales Definición de unidades básicas dimensionales •Unidad de longitud: El metro (m) es la longitud de trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo. (17ª CGPM 1983). •Unidad de masa: El kilogramo (kg) es igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo. (1ª y 3ª CGPM 1889 y 1901). •Unidad de tiempo: El segundo (s) es la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133. (13ª CGPM 1967). • Unidad de intensidad de corriente eléctrica: manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2·10-7 newton por metro de longitud. (9ª CGPM 1948). •Unidad de temperatura termodinámica: El kelvin (K), unidad de temperatura termodinámica, es la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. Observación: Además de la temperatura termodinámica (símbolo T) expresada en kelvins, se utiliza también la temperatura celsius (símbolo t) definida por la ecuación t = T - T0 donde T0 = 273,15 K por definición. (13ª CGPM 1967). •Unidad de cantidad de sustancia: El mol (mol) es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12. Cuando se emplee el mol, deben especificarse las unidades elementales, que pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones u otras partículas o grupos especificados de tales partículas. (14ª CGPM 1971). •Unidad de intensidad luminosa: La candela (cd) es la unidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540·1012 hertz y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 watt por estereorradián. (16ª CGPM 1979) Sistema Internacional de Unidades Magnitud básica Nombre Unidad básica Nombre Símbolo Longitud Masa Tiempo Temperatura Corriente eléctrica Cantidad de sustancia Metro Kilogramo Segundo Kelvin Ampere Mol m kg s K A mol Intensidad luminosa Candela cd Múltiplos y submúltiplos Factor Factor Nombre Símbolo Giga Factor Nombre Símbolo G Deci d Mega M Centi c Kilo k Mili m Hecto h Micro Deca da Nano n Unidades básicas adimensionales •Unidad de ángulo plano: El radián (rad) es el ángulo plano comprendido entre dos radios de un círculo que, sobre la circunferencia de dicho círculo, interceptan un arco de longitud igual a la del radio. •Unidad de ángulo sólido: El estereorradián (sr) es el ángulo sólido que, teniendo su vértice en el centro de una esfera, intercepta sobre la superficie de dicha esfera un área igual a la de un cuadrado que tenga por lado el radio de la esfera. Unidades Derivadas SIN nombres específicos Magnitud Nombre Símbolo Superficie metro cuadrado m2 Volumen metro cúbico m3 Velocidad metro por segundo m/s Aceleración metro por segundo cuadrado m/s2 Número de ondas metro a la potencia menos uno m-1 Masa en volumen, densidad kilogramo por metro cúbico kg/m3 Velocidad angular radián por segundo rad/s Aceleración angular radián por segundo cuadrado rad/s2 Área másica, área específica Metro cuadrado por kilogramo m2/kg Cantidad de movimiento, impulso Kilogramo metro por segundo Kg m/s Derivadas CON nombres específicos Expresión en otras unidades SI Expresión en unidades SI básicas Magnitud Nombre Símbolo Frecuencia hertz Hz s-1 Fuerza newton N m·kg·s-2 Presión, Tensión mecánica pascal Pa N·m-2 m-1·kg·s-2 joule J N·m m2·kg·s-2 Potencia, Flujo energético watt W J·s-1 m2·kg·s-3 Cantidad de electricidad, carga eléctrica coulomb C volt V W·A-1 m2·kg·s-3·A-1 Resistencia eléctrica ohm W V·A-1 m2·kg·s-3·A-2 Capacidad eléctrica farad F C·V-1 m-2·kg-1·s4·A2 Flujo magnético weber Wb V·s m2·kg·s-2·A-1 Inducción magnética, densidad de flujo magnético tesla T Wb·m-2 kg·s-2·A-1 Energía, trabajo, cantidad de calor Potencial eléctrico fuerza electromotriz s·A Definiciones Unidad de frecuencia Un hertz (Hz) es la frecuencia de un fenómeno periódico cuyo periodo es 1 segundo. Unidad de fuerza Un newton (N) es la fuerza que, aplicada a un cuerpo que tiene una masa de 1 kilogramo, le comunica una aceleración de 1 metro por segundo cuadrado. Unidad de presión Un pascal (Pa) es la presión uniforme que, actuando sobre una superficie plana de 1 metro cuadrado, ejerce perpendicularmente a esta superficie una fuerza total de 1 newton. Un joule (J) es el trabajo producido por una fuerza de 1 Unidad de energía, newton, cuyo punto de aplicación se desplaza 1 metro en la trabajo, cantidad de calor dirección de la fuerza. Unidad de potencia, flujo radiante Un watt (W) es la potencia que da lugar a una producción de energía igual a 1 joule por segundo. Unidad de cantidad de electricidad, carga eléctrica Un coulomb (C) es la cantidad de electricidad transportada en 1 segundo por una corriente de intensidad 1 ampere. Derivadas de las de nombres especiales Magnitud Nombre Símbolo Viscosidad dinámica pascal segundo Pa·s Expresión unidades SI básicas m-1·kg·s-1 m2·kg·s-2·K- Entropía joule por kelvin J/K Capacidad térmica másica joule por kilogramo kelvin J/(kg·K) m2·s-2·K-1 Conductividad térmica watt por metro kelvin W/(m·K) m·kg·s-3·K-1 Intensidad del campo eléctrico volt por metro V/m m·kg·s-3·A-1 1 Unidades del SIMELA ajenas al SIU Magnitud Nombre Símbol o Relación Área centiárea área hectárea ca a ha 1 m2 102 m2 104 m2 Longitud unidad astronómica parsee UA pe 1,495 979.1011 m 30,857.1015 m volt ampere VA W Potencia reactiva volt ampere reactivo VA W Carga eléctrica ampere hora Ah 3,6.106 c Energía electrón volt eV 1,60217733.1019 J Masa masa atómica unificada u 1,6605402.1027 kg Potencia aparente Concentración de materia mol por litro mol/l 1 kmol/m3 Ángulo plano grado sexagesimal minuto sexagesimal segundo sexagesimal º ‘ “ 1,74533.10-2 rad 2,90888.10-4 rad 4,84814.10-6 rad Aceleración gal Gal 102 m/s2 Energía watt hora Wh 3,6.103 J Masa tonelada t 1000 kg Presión bar bar 105 Pa Volumen litro l 1 dm3 Velocidad kilometro por hora km/h 0,277778 m/s Velocidad angular radián por minuto rad/min 0,016666 rad/s Frecuencia de rotación revolución por segundo revolución por minuto rev/s rev/min 1/s 1/60 s Presión sanguínea milímetro de altura de columna de mercurio mmHg 133,322 Pa Tiempo día hora minuto d h min 86400 s 3600 s 60 s Presión milibar mbar 102 Pa Longitud milla marina MN 1852 m Velocidad nudo Nd 0,51477 m/s Actividad de un radio-nucleido curie ci 37 GBq rad rad 102 Gy Dosis equivalente rem rem 10-2 Sv Exposición (rayos γ y X) roenigen R 258.10-6 c/kg Dosis absorbida Mensurando • Magnitud que se desea medir. • La especificación de un mensurando requiere el conocimiento de la naturaleza de la magnitud y la descripción del estado del fenómeno, cuerpo o sustancia. Instrumento de medida • Dispositivo utilizado para realizar mediciones, solo o asociado a uno o varios dispositivos suplementarios. Instrumento indicador • Instrumento de medida que reproduce una señal de salida con información sobre el valor de la magnitud medida. – Voltímetro. – Micrómetro. – Termómetro. – Balanza electrónica. Medida materializada • Instrumento de medida que reproduce o proporciona de manera permanente durante su utilización, magnitudes de una o varias naturalezas, cada una de ellas con un valor asignado. – Pesa patrón – Medida de volumen – Resistencia eléctrica patrón – Material de referencia certificado Sistema de medida • Conjunto de uno o mas instrumentos de medida y frecuentemente, otros dispositivos, … , ensamblados y adaptados para proporcionar valores medidos dentro de intervalos especificados, para magnitudes de naturalezas dadas. • Se utiliza para ampliar los sentidos humanos. Cadena de medida • Serie de elementos de un sistema de medida que constituye la trayectoria de la señal, desde el sensor hasta el elemento de salida. – Medidor de ruido: micrófono, atenuador, filtro, amplificador y voltímetro. Sistema general de Medición Sensor • Sensor: elemento de un sistema de medida directamente afectado por la acción del fenómeno, cuerpo o sustancia portador de la magnitud a medir. – Bobina sensible de un termómetro de platino. – Rotor de la turbina de un medidor de flujo. – Flotador de un medidor de nivel. – Célula fotoeléctrica de un espectrómetro. Transductor de medida • Dispositivo utilizado en medición, que hace corresponder a una magnitud de entrada una magnitud de salida, según una relación determinada. – – – – Termopar. Transformador de corriente. Galga extensométrica. Electrodo para pH. – Tubo Bourdon. – Lámina bimetálica. Ajuste de un sistema de medida • Conjunto de operaciones realizadas sobre un sistema de medida para que proporcione indicaciones prescriptas, correspondientes a valores dados de la magnitud a medir. – Ajuste de cero – Ajuste offset (desplazamiento) – Ajuste de amplificación de escala (ganancia) Importante: No debe confundirse con calibración. Después de un ajuste, un sistema de medida debe ser calibrado nuevamente. Propiedades de los dispositivos de medida • • • • Indicación y valor nominal. Intervalo y Amplitud Condición nominal y límite de funcionamiento Sensibilidad • • • • Resolución Zona muerta y límite de detección Estabilidad, sesgo y deriva instrumental Tiempo de respuesta. • Clase de exactitud • Diagrama de calibración Indicación y valor nominal • Indicación: valor proporcionado por un instrumento o sistema de medida • Valor nominal: Valor redondeado o aproximado de una magnitud característica de un instrumento o sistema de medida – Galga extensométricas de 100 Ω Definiciones: intervalo y amplitud • Intervalo: límites de operación del sistema. – [a;b] tal que a ≤ x ≤ b • Amplitud del intervalo: es la diferencia b – a y se representa como r[a;b] – Ejemplo: r[-4;2] = 6 Resolución • Mínima variación de la magnitud medida que da lugar a una variación perceptible de la indicación correspondiente. Zona muerta • Intervalo máximo dentro del cual se puede hacer variar el valor de la magnitud medida, sin causar una variación detectable de la indicación correspondiente. Límite de detección • Límite de detección: Valor medido, obtenido mediante un procedimiento dado, con una probabilidad b de declarar erróneamente la ausencia de un constituyente en un material, dada una probabilidad a de declarar erróneamente su presencia. • Ej: Sensores para análisis de gases de combustión. Estabilidad, sesgo y deriva instrumental • Estabilidad: aptitud de un instrumento de medida para conservar constantes sus características a lo largo del tiempo. • Sesgo: diferencia entre la media de las indicaciones repetidas y un valor de referencia. • Deriva: variación continua o incremental de una indicación a lo largo de tiempo. Condición nominal y límite de funcionamiento • Condición nominal: condición de funcionamiento que debe satisfacerse durante una medición para que un instrumento funcione conforme a su diseño. • Límite de funcionamiento: condición extrema que un instrumento debe poder soportar sin que se dañen o degraden sus características metrológicas especificadas Sensibilidad de un sistema de medida • Cociente entre la variación de una indicación de un sistema de medida y la variación correspondiente del valor de la magnitud medida. – La sensibilidad puede variar dentro del intervalo de medición de un instrumento. Calibración • Operación que bajo condiciones especificadas establece, en una primera etapa, una relación entre los valores y sus incertidumbres de medida asociadas obtenidas a partir de los patrones de medida, y las correspondientes indicaciones del instrumento, con sus incertidumbres asociadas. Curva de calibración Patrón de medida • Realización de la definición de una magnitud dada, con un valor determinado y una incertidumbre de medida asociada, tomada como referencia. Material de referencia • Material suficientemente homogéneo y estable con respecto a propiedades especificadas, establecido como apto para su uso previsto en una medición o en un examen de propiedades cualitativas. – Agua de pureza declarada, cuya viscosidad dinámica se emplea para la calibración de viscosímetros. – Mezcla de gases para calibración de analizadores de emisiones de motores de combustión interna. Ejemplo Verificación • Aportación de evidencia objetiva de que un elemento satisface los requisitos especificados. – La confirmación de que se satisfacen las propiedades de funcionamiento declaradas o los requisitos legales de un sistema de medida. Validación • Verificación de que los requisitos especificados son adecuados para un uso previsto. – Un procedimiento de medida habitualmente utilizado para un fin, puede ser validado para otro. Trazabilidad • 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. Trazabilidad - Laboratorios • ISO 17025 • IRAM 301 • Normas técnicas de acreditación de laboratorios que exigen el cumplimiento de trazabilidad por parte de laboratorios de Calibración y laboratorios de Ensayos. • La acreditación es por ensayo.