Importancia y necesidad de las mediciones

1.1 Introducción metrología

1.2 La metrología como ciencia

1.3 Necesidad e importancia de las mediciones

1.4 Fundamentos metrológicos

1.5 Sistemas de unidades de medida y patrones

1.6 Lenguaje de las mediciones

1.7 Laboratorios Primarios y Secundarios su importancia

1.1 Introducción metrología

”El desarrollo de la ciencia ha sido inseparable del desarrollo de las medidas. Las leyes de la naturaleza se han ido describiendo después de haber encontrado medios para detectar y medir las magnitudes físicas. Las teorías científicas no han sido aceptadas sin reservas hasta que fueron confirmadas por las mediciones. Eventualmente, el papel de las medidas está íntimamente ligado con todo el conocimiento que se ha obtenido y ha sido utilizado en las ciencias físicas. Las medidas siguen siendo indispensables como parte intrínseca del método científico y el conocimiento”.

Ernest Frank.

La Metrología es una actividad tan antigua que se puede considerar que apareció el mismo día que la humanidad.

La Metrología se ha desarrollado e la mano con el progreso de la humanidad y en la actualidad es considerada como una de los pilares del desarrollo social y tecnológico de la civilización moderna, siendo considerada como uno de los pilares de la calidad.

1.2 La metrología como ciencia

La metrología es la ciencia y técnica que tiene por objeto el estudio de los sistemas de pesos y medidas, y la determinación de las magnitudes físicas. Históricamente esta disciplina ha pasado por diferentes etapas; inicialmente su máxima preocupación y el objeto de su estudio fue el análisis de los sistemas de pesas y medidas antiguos, cuyo conocimiento se observa necesario para la correcta comprensión de los textos antiguos. Ya desde mediados del siglo XVI, sin embargo, el interés por la determinación de la medida del globo terrestre y los trabajos que al efecto se llevaron a cabo por orden de Luis XVI, pusieron de manifiesto la necesidad de un sistema de pesos y medidas universal, proceso que se vio agudizado durante la revolución industrial y culminó con la creación de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas y la construcción de patrones para el metro y el kilogramo en 1872.

Establecidos ya patrones de las unidades de medida fundamentales por la oficina mencionada, la metrología se ocupa hoy día, sin olvidar su vertiente histórica, del proceso de medición en sí, es decir, del estudio de los procesos de medición, incluyendo los instrumentos empleados, así como de su calibración periódica; todo ello con el propósito de servir a los fines tanto industriales como de investigación científica.

1.3 Necesidad e importancia de las mediciones

Las mediciones juegan un importante papel en la vida diaria de las personas. Se encuentran en cualquiera de las actividades, desde la estimación a simple vista de una distancia, hasta un proceso de control o la investigación básica.

La Metrología es probablemente la ciencia más antigua del mundo y el conocimiento sobre su aplicación es una necesidad fundamental en la práctica de todas las profesiones con sustrato científico ya que la medición permite conocer de forma cuantitativa, las propiedades físicas y químicas de los objetos. El progreso en la ciencia siempre ha estado íntimamente ligado a los avances en la capacidad de medición. Las mediciones son un medio para describir los fenómenos naturales en forma cuantitativa. Como se explica a continuación” la Ciencia comienza donde empieza la medición, no siendo posible la ciencia exacta en ausencia de mediciones”. Las mediciones suponen un costo equivalente a más del 1% del PIB combinado, con un retorno económico equivalente de entre el 2% y el 7% del PIB. Ya sea café, petróleo y sus derivados., electricidad o calor, todo se compra y se vende tras efectuar procesos de medición y ello afecta a nuestras economías privadas. Los radares (cinemómetros) de las fuerzas de seguridad, con sus consecuencias económicas y penales, también son objeto de medición. Horas de sol, tallas de ropa, porcentaje de alcohol, peso de las cartas, temperatura de locales, presión de neumáticos, etc. Es prácticamente imposible describir cualquier cosa sin referirse a la metrología. El comercio, el mercado y las leyes que los regulan dependen de la metrología y del empleo de unidades comunes.

1.4 Fundamentos metrológicos

La percepción inicial de metrología deriva de su etimología: del griego metros medida y logos tratado. Concepto que debe ser casi tan antiguo como el ser humano: "tengo nada", "tengo algo", "tengo mucho"; expresiones que reflejan una comparación muy primitiva pero que perdura en la raza humana bajo muchos aspectos, al punto que actualmente podemos decir que metrología es la ciencia de las mediciones y que medir es comparar con algo (unidad) que se toma como base de comparación.

Las ocasiones de medir las tuvo el humano primitivo con las nociones de: cerca-lejos, rápido-lento, liviano-pesado, claro-oscuro, duro-suave, frío-caliente, silencio-ruido. Originalmente estas percepciones fueron individuales pero con el correr de las experiencias y la vida en común surgieron las comparaciones entre las personas y en el transcurso de los milenios se han desarrollado bases de comparación generalmente aceptadas.

Con esos antecedentes y después de una buena cantidad de milenios, es fácil pensar en las bases para comparar las apreciaciones personales - dicho en buena lengua romance: en las medidas y sus unidades.

Estudios arqueológicos han encontrado que civilizaciones muy antiguas tenían ya los conceptos de pesar y medir. Muy pronto debe haberse hecho necesario disponer, además, de medidas uniformes que permitieran el intercambio comercial, la división de territorios, la aplicación de impuestos.

La aparición de sistemas de pesas y medidas se pierde en el tiempo. No conocemos lo que pudo haberse dado en el Lejano Oriente; sin embargo, aparecen sin lugar a duda en las civilizaciones de Mesopotamia y - desde luego - es claro que la construcción de las pirámides de Egipto (3000 a 1800 A.C.) demandó elaborados sistemas de medición.

En particular conocemos, y en cierta forma aún se emplean, las mediciones lineales que se usaron antiguamente en Egipto (el jeme, la cuarta, el palmo, el codo, el pie).

También en Egipto se emplearon balanzas para pesar metales preciosos y gemas. Después, al aparecer las monedas como elemento de intercambio comercial, éstas fueron simplemente piezas de oro o plata con su peso estampado. Dieron origen a un sistema monetario que se extendió por todo el Mediterráneo.

Nuestra forma de medir el tiempo tiene su origen en el sistema sexagesimal desarrollado en Mesopotamia y nuestro calendario de 365 días se deriva originalmente del calendario egipcio.

Posteriormente, la conquista romana de gran parte del continente europeo originó la divulgación de los sistemas de pesas y medidas.

Para principios del segundo milenio, las diferentes medidas en uso habían proliferado de forma incontrolable. Se tenía, por ejemplo, diferentes medidas de capacidad según el producto de que se tratase ya fuese vino o cerveza, trigo o cebada. A veces las medidas variaban de provincia a provincia o de ciudad a ciudad.

Inglaterra utilizaba medidas de origen anglosajón y buscó la forma de mejorar y simplificar su sistema. Durante varios siglos el sistema libra-pie-segundo fue el sistema de preferencia en los países de habla inglesa y a nivel mundial para ciertas ramas comerciales y técnicas; a la fecha no ha sido del todo descartado y sigue siendo empleado en diversas actividades en muchos países.

Por su parte, Francia creó y desarrolló un sistema, simple y lógico, basado en los principios científicos más avanzados que se conocían en esa época (finales del Siglo XVIII) - el sistema métrico decimal que entró en vigor durante la Revolución Francesa. Su nombre viene de lo que fue su unidad de base: el metro, en francés mètre , derivado a su vez del griego metron que significa medida, y del uso del sistema decimal para establecer múltiplos y submúltiplos. En su versión primera, el metro se definió como la diezmillonésima parte de la longitud de un cuadrante del meridiano terrestre y se determinó midiendo un arco de meridiano entre Dunkerque en Francia y Barcelona en España. La historia, el desarrollo y la aplicación de este sistema han sido ampliamente documentados.

1.5 Sistemas de unidades de medida y patrones

Un sistema de unidades es un conjunto consistente de unidades de medida. Definen un conjunto básico de unidades de medida a partir del cual se derivan el resto. Existen varios sistemas de unidades:

• Sistema Internacional de Unidades o SI: Es el sistema más usado. Sus unidades básicas son: el metro, el kilogramo, el segundo, el ampere, el kelvin, la candela y el mol.

• Sistema Métrico Decimal: Primer sistema unificado de medidas.

• Sistema Cegesimal o CGS.: Denominado así porque sus unidades básicas son el centímetro, el gramo y el segundo.

• Sistema Natural: En el cual las unidades se escogen de forma que ciertas constantes físicas valgan exactamente 1.

• Sistema Técnico de Unidades: Derivado del sistema métrico con unidades del anterior. Actualmente este sistema está en desuso.

• Sistema Inglés: Aún utilizado en los países anglosajones. Muchos de ellos lo están intentando reemplazar por el Sistema Internacional de Unidades. Un patrón de medición es una representación física de una medición. Una unidad se realiza con referencia a un patrón físico arbitrario o un fenómeno natural que incluyen constantes físicas y atómicas

Metro: equivale a la diezmillonésima parte del cuadrante del meridiano terrestre que pasa por París.

Kilogramo: es la unidad básica de masa del Sistema Internacional de Unidades (SI) y su patrón. Se define como la masa que tiene el cilindro patrón, compuesto de una aleación de platino e iridio, que se guarda en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Sèvres, cerca de París.

Segundo: Es la duración de 9 192 631 770 períodos de radiación correspondiente a la transición entre 2 niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de Cesio 133.

Ampere: Es la intensidad de una corriente eléctrica constante que, mantenida en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable, en el vacío y a una distancia de un metro el uno del otro, produce

entre estos dos conductores una fuerza igual a 2 x10–7 newton por metro de longitud [CIPM (1946). Resolución 2; aprobada por la 9ª CGPM (1948)].

Kelvin: El kelvin, unidad de temperatura termodinámica, es la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua (ver nota 2) [13ª CGPM (1967)). Resolución 4].

Candela: Es la intensidad luminosa, es una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 hertz y de la cual la intensidad radiante en esa dirección es de 1/683 watt por esterorradián [16ª CGPM (1979). Resolución 3].

Mol: Es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kg de carbono 12.

1.6* Lenguaje de las mediciones

Aparte de los números, hay muchas palabras y términos que se usan para describir las mediciones. Dicho vocabulario constituye el lenguaje de las mediciones, cual no es tan exacto como lo son los números. En algunos casos los términos son muy confusos, se les usa inapropiadamente, o incluso se les desconoce en la rutina diaria del trabajo de taller, pero a veces será necesario ser preciso en aquello que se desea decir, por lo que conviene conocer esos términos y la forma como deben usarse apropiadamente.

Cuando se realizan mediciones, deben considerarse varios factores en conjunto para asegurar una medición correcta. En cualquier medición se debe tener una norma o estándar, un puno de referencia, un punto medio, y una línea de medición.

Algunos estándares típicos que se utilizan en el taller son la regla y el micrómetro. Estos estándares, aparte de que muestran valores en pulgadas y milímetros, están divididos e unidades mas pequeñas, las cuales son partes fraccionarias o decimales de la pulgada o del milímetro entero.

Punto de referencia

El punto de referencia en una medición es la base desde la cual se toma la medición. Puede ser el yunque de un micrómetro, la mordaza solida de un calibrador vernier, o el extremo o un punto cualquiera da la regla. Es el punto de origen en cualquier medición o, dicho de otra manera, es el punto donde empieza la medición.

Punto medio

El punto medio es la línea o borde que se mide. Es el extremo opuesto al punto de referencia, el punto terminal de la medición: es decir, el final de la medición.

Línea de medición

La línea de medición es una línea recta imaginaria entre el punto de referencia y el punto medio, paralela al eje de la herramienta de medición. La posición de esta línea en relación con la parte determina la exactitud de la medición.

Si la línea de medición esta inclinada, la medición puede resultar errónea; se incurre en el llamado “error de paraje”.

La herramienta de medición debe colocarse siempre de modo que la línea de medición este perpendicular al punto de referencia y el pinta medido. En términos simples, si no se hace una medición correcta, la lectura será inexacta e indicara que se tiene más material en la pieza del que en realidad se tiene.

TERMINOS EN LA MEDICION

Exactitud, precisión y confiabilidad son términos que se usan para describir las mediciones y describen deferentes elementos o conceptos del proceso de medición. Para comprender este proceso debe considerarse el significado de cada uno de ellos.

Exactitud

La exactitud es el grado de conformidad con una norma establecida. La exactitud también puede considerarse cono una comparación entre los resultados deseados y los reales.

Precisión

La precisión es la fidelidad del proceso de medición con relación a su repetitividad.

Confiabilidad

La confiabilidad es aquella condición en la cual los resultados reales son iguales a los resultados deseados o previstos.

FACTORES QUE AFECAN LA MEDICION

La exactitud de una herramienta de medición se refiere a que tanto la medición se aproxima a la dimensión real. Su precisión se determina por que tanto puede repetir mediciones idénticas. Por lo último, su confiabilidad se decide por que tan consistentemente puede obtener resultados deseados o previstos.

En la medición o la manufactura la perfección es imposible. Hay siempre ligeras variaciones en cada parte manufacturada. Así lo entienden los diseñadores y dan margen a pequeñas variaciones y asegurarse de que cada parte funcionara según lo previsto, los diseñadores especifican límites o tolerancias en las dimensiones importantes.

Los términos dimensión, tolerancia, y limites corresponden a factores que afectan directamente e influyen en la medición.

Dimensiones :

Una medición es el tamaño exacto de una parte determinada.

Tolerancia :

La tolerancia es la cantidad total de variación permitida al tamaño básico.

Limites :

Los límites son el tamaño máximo y mínimo de la parte completa tal como determina la tolerancia. Cualquier parte que se conserve dentro de estos limites en aceptable.

Los límites establecen los tamaños permisibles de una parte y deben ser respetados. Tratar de mantener una tolerancia más rigurosa que la especificada resulta tan costoso como ineficiente. El trabajo siempre debe orientarse a la producción de parte que se mantengan dentro de los límites. No hay razón para tratar de mantener una tolerancia de: 0.000 1 pulg en una parte que tiene un valor de tolerancia de: 0.030 pulg. Todo lo que se obtiene es un desperdicio de tiempo y mayor lentitud en la producción.

1.7 Laboratorios

Laboratorio de metrología

En este laboratorio se aplica la ciencia que tiene por objeto el estudio de las unidades y de las medidas de las magnitudes; define también las exigencias técnicas de los métodos e instrumentos de medida. Los laboratorios de metrología se clasifican jerárquicamente de acuerdo a la calidad de sus patrones. Aunque las estructuras pueden variar en cada país, por regla general existen tres niveles:

Laboratorio nacional: es el que posee el patrón nacional primario y los nacionales de transferencia (los empleados realmente para evitar el desgaste del primario).

Laboratorio intermedio: típicamente son laboratorios de Universidades, Centros de Investigación y similares.

Laboratorio industrial: en las propias instalaciones de la empresa, para la realización del control de calidad o el ensayo de prototipos.

Las condiciones serán tanto más estrictas cuanto más alto el nivel del laboratorio

Laboratorio primario.

En un laboratorio primario se lleva a cabo la metrología de más alto nivel.

En estos laboratorios se realizan investigaciones para alcanzar mediciones de la más alta exactitud y la más alta precisión.

También en ellos, se calibran patrones primarios y secundarios.

Laboratorio secundario.

En los laboratorios secundarios, el trabajo más importante que se hace usualmente es la calibración de patrones secundarios y patrones de trabajo.

Las calibraciones de más baja exactitud que los laboratorios primarios que requieren de técnicas especializadas también se realizan aquí.

Además desde un laboratorio secundario puede operarse unidades móviles de calibración.

Errores de Medición.

Siempre que realizamos una medición cometeremos un error en la determinación de la magnitud medida. Este error puede ser despreciable en función de la precisión requerida. Definiremos como error a la diferencia entre la dimensión determinada en la medida y la dimensión real.

Los errores que cometemos al realizar una medición pueden ser debidos a:

* Los instrumentos de medida.

Defectos constructivos

Deformaciones elásticas

Desgaste por el uso

Desajuste por el uso

* Las condiciones ambientales.

Dependiendo de la temperatura a la cual realicemos la medición, obtendremos un valor u otro. Los materiales metálicos poseen coeficientes de dilatación térmica relativamente elevados. Por ello el sistema internacional establece una temperatura de referencia de 20ºC.

* La persona que realiza la medición.

Presiones desiguales entre la pieza y palpador, en función de la fuerza que hace el operador.

Dificultad de apreciar la coincidencia entre los trazos del nonio y regla.

Incertidumbre.- Es el error experimental que se encuentra en toda medición.

Error absoluto.- Error total que se produce al medir una magnitud. Se considera siempre en valor absoluto.

ERROR ABSOLUTO = VALOR DE LA MEDICIÓN - VALOR REAL

Error relativo.- Es el producido por la unidad de medición utilizada. Se expresa en porcentaje y nos indica el grado de precisión y de exactitud de la medición.

Error relativo = (Error relativo/Magnitud real) x 100

El error instrumental tiene valores máximos permisibles, establecidos en normas o información técnica de fabricantes de instrumentos, y puede determinarse mediante calibración.

Errores del operador o por el modo de medición: Muchas de las causas del error aleatorio se deben al operador, por ejemplo: falta de agudeza visual, descuido, cansancio, alteraciones emocionales, etcétera. Para reducir este tipo de errores es necesario adiestrar al operador:

Error por el uso de instrumentos no calibrados: instrumentos no calibrados o cuya fecha de calibración está vencida, así como instrumentos sospechosos de presentar alguna anormalidad en su funcionamiento no deben utilizarse para realizar mediciones hasta que no sean calibrados y autorizados para su uso.

Error por la fuerza ejercida al efectuar mediciones: La fuerza ejercida al efectuar mediciones puede provocar deformaciones en la pieza por medir, el instrumento o ambos.

Error por instrumento inadecuado: Antes de realizar cualquier medición es necesario determinar cuál es el instrumento o equipo de medición más adecuado para la aplicación de que se trate

Errores por puntos de apoyo: Especialmente en los instrumentos de gran longitud la manera como se apoya el instrumento provoca errores de lectura. En estos casos deben utilizarse puntos de apoyo especiales, como los puntos Airy o los puntos Bessel (véase la figura 3.1.7).

Errores por método de sujeción del instrumento: El método de sujeción del instrumento puede causar errores un indicador de carátula esta sujeto a una distancia muy grande del soporte y al hacer la medición, la fuerza ejercida provoca una desviación del brazo.

La mayor parte del error se debe a la deflexión del brazo, no del soporte; para minizarlo se debe colocar siempre el eje de medición lo más cerca posible al eje del soporte.

Error por distorsión: Gran parte de la inexactitud que causa la distorsión de un instrumentó puede evitarse manteniendo en mente la ley de Abbe: la máxima exactitud de medición es obtenida si el eje de medición es el mismo del eje del instrumento.

Error de paralaje: Este error ocurre debido a la posición incorrecta del operador con respecto a la escala graduada del instrumento de medición, la cual está en un plano diferente El error de paralaje es más común de lo que se cree. Este defecto se corrige mirando perpendicularmente el plano de medición a partir del punto de lectura.

Error de posición: Este error lo provoca la colocación incorrecta de las caras de medición de los instrumentos, con respecto de las piezas por medir.

Error por desgaste: Los instrumentos de medición, como cualquier otro objeto, son susceptibles de desgaste, natural o provocado por el mal uso.

Error por condiciones ambientales: Entre las causas de errores se encuentran las condiciones ambientales en que se hace la medición; entre las principales destacan la temperatura, la humedad, el polvo y las vibraciones o interferencias (ruido) electromagnéticas extrañas