METROLOGIA

Metrología

Colegio Nacional de Educación profesional Técnica “Educación de Calidad para la Competitividad”

Metrología DR. 2008 CONALEP

Calle 16 de Septiembre 147 Norte Colonia. Lázaro Cárdenas C.P. 52148, Metepec, Edo. de México Primera Edición 2008 ISBN: En trámite Prohibida su reproducción sin autorización, por escrito del CONALEP. www.conalep.edu.mx

CONTENIDO NTRODUCCIÓN

7

UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN A LA MEDICIÓN

9

Introducción

9

1.1.

Historia de la metrología.

9

•

Definición.

15

•

Importancia de la metrología.

15

•

Principios y fundamentos

16

•

Normalización.

19

Tipos de metrología.

21

•

Metrología eléctrica.

21

•

Metrología física

22

•

Metrología mecánica

22

•

Metrología de materiales

23

1.2

1.3 Sistemas de unidades.

24

•

Sistema inglés.

24

•

Sistema internacional.

26

•

Conversión de unidades.

29

•

Conversión dentro de un sistema.

34

Resumen

39

Evaluación

40

UNIDAD 2.MANEJO DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

41

Introducción

41

2.1. Instrumentos de medición dimensional.

41

•

Definición

41

•

Reglas para efectuar mediciones

42

•

Clasificación

2.2 Manejo de los instrumentos de medición dimensional.

42

43

•

Vernier.

44

•

Micrómetro.o Palmer

54

•

Esferómetro

67

•

Calibrador de alturas.

68

•

Calibres de tolerancia

70

•

Comparador de carátula

72

•

Goniómetro.

73

2.5 Instrumentos de medición hidráulicos, neumáticos, térmicos y mecánicos.

120

•

Manómetro.

120

•

Vacuómetro

120

•

Barómetro.

120

•

Manovacuómetro

120

•

Manómetro diferencial

120

•

Termómetros.

124

•

Tacómetro.

148

•

Torquímetro.

149

Resumen

152

Evaluación

153

UNIDAD 3 MANTENIMIENTO Y CALIBRACIÓN DEL EQUIPO DE MEDICIÓN

155

Introducción

155

3.1. Tipos de mantenimiento.

156

•

Mantenimiento preventivo.

156

•

Mantenimiento predictivo.

157

•

Mantenimiento correctivo.

157

3.2 Mantenimiento.

159

•

Equipos.

159

•

Cuidados.

161

•

Materiales.

161

•

Procedimientos.

162

3.3 Técnicas de calibración.

163

•

Objetivo.

163

•

Principios.

164

•

Tablas de rugosidad.

164

•

Tolerancias.

166

•

Normas.sobre gestión de la calidad

171

•

Medición y registros.

176

•

Interpretación de resultados.

188

3.4 Equipos de calibración.

188

•

Herramientas.

188

•

Aplicaciones.

190

•

Instalaciones, equipo e instrumentos.

193

•

Bloques patrón.

198

Resumen

200

Evaluación

200

GLOSARIO

201

BIBLIOGRAFÍA

203

RESPUESTAS A LAS EVALUACIONES

205

Metrología INTRODUCCIÓN La naturaleza humana es muy variada; constantemente vemos, oímos, olemos, probamos y tocamos objetos y productos, es decir, hay un constante flujo de sensaciones. El trabajo de la metrología es describir en forma ordenada esta experiencia, un trabajo que la curiosidad del hombre ha conducido por muchos siglos y que seguramente nunca terminará, por fortuna. El metrólogo ha seleccionado como campo de estudio una porción especial de la gran variedad de experiencias humanas; de la totalidad ha abstraído ciertos aspectos que le parecen susceptibles de describir con exactitud. Al principio el metrólogo se contentó en adquirir esta experiencia en forma pasiva para describir tanto lo que veía, olía, etc., como la forma en que estas sensaciones llegaban a él. En tiempos más recientes ha decidido tomar un papel activo en la adquisición del conocimiento o por medio de la experimentación. En este caso, con sus descripciones, el metrólogo construye un nuevo mundo, un mundo propio e integrado a su compañía, institución, comunidad, estado, nación, tanto en el ámbito internacional como en el global. El mundo que está poblado por las creaciones y trabajos de la imaginación e ingenio del metrólogo es el de las unidades, sistemas de unidades, trazabilidad, patrones, normas, métodos, sistemas de certificación, especificaciones, etc. El metrólogo construye estos sentidos y percepciones mentales entre los grandes grupos de fenómenos. En resumen, un experimento es controlado en cuanto a la percepción sensora que se tiene de él. Tres elementos lo caracterizan: En primer lugar, en el desarrollo de un experimento, el investigador abstrae deliberadamente de la experiencia total una pequeña porción para estudiarla en forma intensiva. Por ejemplo, de los fenómenos asociados con el concepto de calor, el experimentador puede elegir investigar aquel que concierne a la relación entre el calentamiento y el tamaño de un objeto. En segundo lugar, el experimentador tiene ciertas ideas acerca del procedimiento y el resultado que él puede esperar. En tercer lugar, el investigador realiza una serie de operaciones manuales para lograr su objetivo. Él sigue activamente la naturaleza con sus conocimientos. Como fue descrito anteriormente, un experimento en esencia no ha tenido nada, o muy poco, acerca de la cuantificación. Por muchos siglos, sin embargo, el hombre ha sentido la urgencia de describir sus experimentos en términos numéricos, en otras palabras, hacer mediciones. En la actualidad, un experimento físico que no involucre medición es considerado poco valioso. El metrólogo experimentador siente que él realmente no entiende como avanzan las cosas si la pregunta ¿cuánto?, no tiene respuesta. En cada laboratorio, taller, línea de producción y casi dondequiera, es posible encontrar aparatos o dispositivos con escalas marcas y con números asociados a cada hecho relacionado con la metrología. Es un hecho que cada lector pensará en la medición física que le es más familiar, por ejemplo: consultar el reloj de pulsera; al hacerlo reconocerá en cada análisis la medición, leerá la hora desde la carátula con la posición de las agujas. Piense que esto sucede en los medidores eléctricos, reglas, medidores de corriente, voltaje y potencia, en los termómetros, rugosímetros, micrómetros, calibradores, medidores de presión, etc. La metrología es una ciencia que tiene impacto en los más diversos ámbitos de acción del ser 7

Metrología humano, tales como el comercio, el ambiente, la salud y en la sociedad en general. Su desarrollo es clave para incrementar la competitividad internacional del sector productivo mexicano. En esta obra nos adentraremos a estudiar esos procesos a través de un modelo de medición y estudiaremos como es que el hombre ha ido desarrollando normas de aplicación internacional y sistemas de unidades de uso común. Estudiaremos los principios de operación de diversos instrumentos de medición, nos percataremos de ese ingenio del hombre para poder medir magnitudes físicas diversas y que puedan ser comparadas con las que se desarrollan en otras partes del mundo.

Estudiaremos un modelo de mantenimiento de instrumentos de medición, equipos y maquinaria, así como los principios para la calibración y verificación metrológica de los instrumentos de medición.

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Metrología UNIDAD 1 INTRODUCCIÓN A LA MEDICIÓN Introducción La medición es un proceso que realizamos cotidianamente aún cuando no estemos conscientes de ello. Cuando vamos al mercado a comprar la despensa, pedimos por ejemplo: un kilogramo de tortillas, medio metro de franela, media gruesa de naranjas, si vamos a comprar ropa, pedimos un pantalón de talla 32, y compramos una camisa de talla mediana, si deseamos comprar un electrodoméstico, pedimos, el que menos consumo de kilowatt-hora tenga, si deseamos que nuestro teléfono celular funcione, adquirimos tiempo-aire (una tarjeta de 100 min., por ejemplo), si vamos a un café-internet nos cobran 30 minutos de navegación, y así podríamos ver que en cada actividad que realizamos necesitamos medir alguna magnitud. Fácilmente podemos convencernos de que una gran cantidad de artículos que consumimos no se producen en nuestro país, entonces podríamos preguntarnos: ¿cómo es posible que los productos que adquirimos satisfacen nuestras necesidades?, ¿cómo un reproductor de DVD, fabricado en Japón, puede utilizarse en México?, ¿cómo puedo comprar zapatos de mi talla que fueron fabricados en España?, ¿cómo puedo utilizar un teléfono celular fabricado en Noruega?, etc. Encontraremos la respuesta a estas interrogantes en el desarrollo de esta unidad. Empezaremos por describir desde el punto de vista histórico, como fue que el hombre empezó a medir el tiempo, cuando el hombre descubrió como medir esta magnitud, marcó el inicio de la civilización, y es que como veremos, medir correctamente el paso de las estaciones permitió al hombre el desarrollo de la agricultura y la cacería, actividades que en el inicio de la civilización fueron la fuente de la riqueza, hasta el desarrollo de los relojes actuales, no podemos dejar de sorprendernos de que en los juegos olímpicos, los records mundiales en las carreras de 100 metros planos se midan en centésimas de segundo, o que a través del Sistema Posicionador Global (Global Positioning System, GPS), podamos ubicar a vehículos o aún a personas en cualquier parte del mundo con un error no mayor a 15 metros. Encontraremos una definición de la Metrología y una revisión de como es que los países han logrado ponerse de acuerdo para comerciar y vender productos que sean satisfactorios para los consumidores, a través de acuerdos internacionales que se adoptan como leyes o normas en cada país, y en los que México participa activamente. Haremos una clasificación de los distintos tipos de metrología, en base a la estructura del Centro Nacional de Metrología, que es el origen de todas las mediciones que se realizan en México, ya que es ahí donde se desarrollan y resguardan todos los patrones nacionales de medición. Revisaremos brevemente los conceptos aritméticos, algebraicos y trigonométricos que debe dominar cualquier persona que esté involucrada en algún proceso de medición. Concluimos la unidad con el estudio de los sistemas de unidades, fundamentalmente con el Sistema Internacional de Unidades y con el Sistema Inglés, así como sus conversiones entre ellos. 1.1. Historia de la metrología Desde el lejano noroeste de Groenlandia hasta el extremo más meridional de la Patagonia, los hombres saludan a la nueva Luna comiendo y bebiendo, con cantos y plegarias. Todos sienten 9

Metrología deseos de bailar a la luz de la Luna. Y la Luna posee además otras virtudes. Hace dos mil años aproximadamente, Tácito escribió que las antiguas comunidades germánicas se reunían cuando había Luna nueva o Luna llena, «los días más favorables para comenzar cualquier asunto». Hallamos por todas partes vestigios de significados míticos, místicos o románticos; en las palabras «alunado» o «lunático», y hasta en la costumbre de los enamorados de citarse a la luz de la Luna. Pero todavía más profunda es la primitiva relación entre la Luna y la medición. La palabra moon en inglés y su equivalente en otras lenguas proviene de la misma raíz, me, que significa ‘medida’ (como en la palabra griega metron, y en las inglesas meter y measure), que nos recuerda los servicios que antaño prestara la Luna como primer instrumento universal para medir el tiempo. Pero a pesar de la facilidad con que se le podía utilizar como medida de tiempo, o quizás a causa de ello, la Luna resultó ser una trampa para la ingenua humanidad. Si bien las fases de la Luna eran ciclos universales que cualquiera podía observar, también eran un atractivo callejón sin salida. Los cazadores y los agricultores necesitaban, ante todo, un calendario de las estaciones, un medio que les permitiera predecir la llegada de la lluvia o de la nieve, del frío y del calor. ¿Cuánto falta para la época de la siembra? ¿Cuándo debemos esperar las primeras heladas? ¿Y las grandes lluvias? Las estaciones del año, tal como las conocemos en la actualidad, están regidas por los movimientos de la Tierra alrededor del Sol. Cada sucesión de estaciones señala el retorno de la Tierra al mismo lugar del circuito, en un movimiento que va desde un equinoccio (o solsticio) al siguiente. El hombre necesitaba un calendario para orientarse con respecto a las estaciones. ¿Cómo fue el comienzo? Los antiguos babilonios comenzaron con el calendario lunar, y continuaron con él. Su obstinación en aferrarse a los ciclos lunares para la constitución de su calendario tuvo consecuencias importantes. Buscaban una manera de medir el ciclo de las estaciones mediante múltiplos de los ciclos lunares, y acabaron por descubrir, probablemente alrededor del año 432 a.C., el ciclo metónico, que consta de diecinueve años y recibe este nombre por el astrónomo Meton. Los babilonios descubrieron que si utilizaban un ciclo de diecinueve años, en el que atribuían trece meses a siete años del ciclo y doce meses a los doce años restantes, podían continuar utilizando las fases de la Luna, tan cómodamente visibles, como base de su calendario. Este calendario metónico, con sus diecinueve años, era demasiado complicado como para ser usado cotidianamente. Los egipcios escaparon, en alguna medida, a las tentaciones de la Luna, por lo que fueron los primeros en descubrir la duración del año solar y en definirla de un modo útil y práctico. Tal como sucede con muchas otras hazañas de la humanidad, conocemos el resultado final, pero todavía nos desconciertan el «porqué», el «cómo» y el «cuándo». Parece que hacia el año 2500 a.C. podían calcular en qué momento el Sol naciente o poniente doraría la cima de determinado obelisco, lo que les ayudaba a realzar sus ceremonias y aniversarios. Si bien en la antigüedad median el año y el mes, y establecieron la pauta para la semana que utilizamos actualmente, las unidades de tiempo más cortas continuaron sin ser definidas y tuvieron muy poca importancia en la experiencia humana colectiva hasta hace pocos siglos. Nuestra hora, exacta y uniforme, es una invención moderna, mientras que el minuto y el segundo son todavía más recientes. La sombra del Sol continuó siendo durante muchos siglos la medida universal del tiempo. Y era ésta una medida muy conveniente, puesto que cualquiera podía fabricar en cualquier lugar un sencillo reloj de Sol, sin necesidad de instrumentos o conocimientos especiales. Pero la jocosa bravata inscrita en los relojes de Sol modernos, «Yo sólo cuento las horas soleadas», proclama la evidente limitación de estos aparatos para medir el tiempo. Las horas no fueron determinadas con exactitud en los relojes de Sol hasta el siglo XVI. Cuando se desarrolló esta «ciencia del cuadrante», se puso 10

Metrología de moda llevar un reloj de Sol de bolsillo, pero ya existían entonces los relojes mecánicos, mucho más cómodos y útiles en todo sentido. ¿Cómo se liberó la humanidad del Sol? ¿Cómo conquistamos la noche y la hicimos parte del mundo inteligible? Sólo escapando a la tiranía del Sol aprenderíamos alguna vez a medir nuestro tiempo en porciones universalmente uniformes. Sólo entonces las recetas para la acción y la creación podrían ser entendidas por doquier y en cualquier momento. El tiempo era, según la frase de Platón, «una imagen en movimiento de la eternidad». No es extraño, pues, que el deseo de medir su curso tentara y atormentara a la humanidad en todo el planeta. Los primeros pasos hacia la medición mecánica del tiempo, los comienzos del reloj moderno en Europa, no lo dieron granjeros, pastores, artesanos o mercaderes, sino personas religiosas que deseaban cumplir con prontitud y constancia sus deberes para con Dios. Los monjes necesitaban conocer la hora señalada para sus plegarias. Los primitivos relojes mecánicos fueron concebidos en Europa de tal modo que no mostraban la hora, sino que la hacían sonar, es decir, que los primeros relojes eran despertadores. Los primeros mecanismos automáticos de Occidente, que nos colocaron en la senda de la fabricación de relojes, eran máquinas operadas por pesas que hacían sonar una campana a intervalos uniformes. Cuenta la tradición que en 1583, cuando Galileo Galilei (1564-1642) tenía diecinueve años de edad y asistía a los oficios religiosos que se celebraban en el baptisterio de la catedral de Pisa, se distrajo mirando el balanceo de la lámpara del altar. Fuera cual fuese la amplitud de la oscilación de la lámpara, parecía que el periodo que tardaba en ir de un extremo del arco al otro era siempre el mismo. Galileo, desde luego, no tenía reloj, pero comprobaba los intervalos de las oscilaciones mediante su propio pulso. Este raro acertijo de la vida cotidiana hizo que Galileo abandonara el estudio de la medicina, que había emprendido obligado por su padre, y se dedicara al estudio de las matemáticas y la física. El joven había descubierto en el baptisterio lo que los físicos llamarían luego «isocronismo», o igualdad de la oscilación del péndulo, es decir, que el periodo de oscilación de un péndulo no varía según la amplitud de la oscilación sino en razón de la longitud del péndulo. Este sencillo descubrimiento fue el símbolo de una nueva era. Hasta ese momento la enseñanza de astronomía y de física en la Universidad de Pisa, donde estaba matriculado Galileo, se reducía a cursos sobre los textos de Aristóteles. El modo de aprender de Galileo, basado en la observación y la comprobación de lo que veía, representaba la ciencia del futuro. El descubrimiento de Galileo, a pesar de que éste nunca le sacó su máximo provecho, abrió las puertas de una nueva era en la medición del tiempo. El margen de error de los mejores aparatos para medir el tiempo se redujo, dentro de las tres décadas siguientes a la muerte de Galileo, de quince minutos a sólo diez segundos por día. Un reloj que funcionaba al unísono con otros muchos convertía al tiempo en una dimensión que trascendía el espacio. Los ciudadanos de Pisa podrían saber qué hora era en Florencia o en Roma en aquel mismo instante. Estos relojes una vez sincronizados continuarían funcionando igual. En lo sucesivo, el reloj ya no sería una mera comodidad local para medir las horas de trabajo de los artesanos, fijar el horario de las plegarias o de las reuniones del ayuntamiento, sino una norma universal. Del mismo modo que la hora única había uniformado las unidades de día y de noche, invierno y verano, en cualquier ciudad, ahora el reloj de precisión uniformaba las unidades de tiempo en todo el planeta. Ciertas peculiaridades de nuestro planeta hicieron posible esta magia. Todos los lugares de la Tierra experimentan, a causa de la rotación del planeta sobre su eje, un día de veinticuatro horas por cada vuelta completa de 360 grados. Los meridianos de longitud señalan estos grados. La Tierra a medida que gira, hace que sea mediodía en diferentes lugares sucesivamente. Cuando en la Ciudad de México es mediodía, en Tijuana, hacia el oeste, sólo son las diez de la mañana. Podemos afirmar entonces que Tijuana está a treinta grados de longitud, o a dos horas al 11

Metrología oeste de la Ciudad de México, lo que hace que estos grados de longitud sean a la vez una medida de tiempo y de espacio. En 1714, estimulado por un desastre naval atribuido a la navegación inexacta, el Parlamento Británico aprobó el Acuerdo de la Longitud. Este acuerdo creó un premio de £ 20 000 –una enorme suma para esa época- que sería entregado al inventor de un método exacto para determinar la longitud. Esto podría lograrse ya que la longitud puede calcularse a partir de la posición del Sol o de las estrellas y si el tiempo se midiera exactamente. Lo que se necesitaba era un reloj exacto, un reloj que pudiera usarse en el mar, los relojes de péndulo no eran de utilidad para este propósito. John Harrison resolvió el problema al desarrollar un reloj robusto, mecánico, cuya tecnología estaba basada en el uso de resortes y tenía una exactitud de unos cuantos segundos en varios meses. Después de varios años de trámites burocráticos, Harrison eventualmente recibió el premio. La navegación sigue siendo una de las principales aplicaciones de los relojes exactos. En la actualidad se ha garantizado la navegación segura con el GPS (Global Positioning System), cuya fenomenal exactitud para la navegación está basada en relojes que mantienen el tiempo dentro de 0,000 000 003 segundos. Sin embargo, la navegación no siempre ha proporcionado el estímulo para mejorar los relojes. En algunos casos la navegación fue la beneficiaria de los avances en la física. Para los físicos modernos, el desarrollo de mejores relojes proporciona medios naturales para el estudio de varios aspectos de la naturaleza, incluyendo las constantes fundamentales y la interacción de la radiación con la materia. Por siglos, el día solar medio sirvió como unidad de tiempo, pero el periodo de rotación es irregular y crece lentamente. En 1956, la Unión Astronómica Internacional y el Comité Internacional de Pesas y Medidas recomendaron adoptar el Tiempo Efemeris —basado en el movimiento orbital de la Tierra alrededor del Sol— como una base más estable y exacta para la definición del tiempo. Cuatro años más tarde, la recomendación de las dos organizaciones fue ratificada formalmente por la Conferencia General de Pesas y Medidas. Hasta la definición del segundo en términos del tiempo atómico en 1967 por diversos laboratorios primarios de varios países. El primer reloj atómico fue desarrollado en 1949 por el estadounidense Harold Lyons del NBS (National Bureau of Standards, pionero del NIST –National Institute of Standards an Technology de los Estados Unidos de América), y estaba basado en las transiciones atómicas de la molécula de amoniaco. A mediados de los años cincuenta, los británicos Louis Essen y John Parry del National Physical Laboratory (NPL) de Inglaterra, construyeron un reloj atómico significativamente más estable y exacto. El cambio ocurrió en 1967 cuando, por acuerdo internacional, se definió el segundo como la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado base del átomo de 133Cs. Esta definición hizo que el tiempo estuviera de acuerdo con el segundo basado en el Tiempo Efemeris, hasta donde las mediciones lo permiten. En México, el Centro Nacional de Metrología (CENAM) es el laboratorio encargado de mantener los relojes atómicos y reproducir la unidad de tiempo, el segundo, de acuerdo con los estándares internacionales. Esta historia de como se desarrollaron los instrumentos para medir el tiempo, los relojes (si pensamos que para tener los relojes de cuarzo actuales y que utilizamos en nuestro brazo, la humanidad tardó alrededor de 5000 años en desarrollarlos), nos puede dar una idea de las dificultades con las que nos podemos encontrar si deseamos medir otras magnitudes, y más dificultades se nos presentan si necesitamos realizar mediciones cada vez más exactas. 12

Metrología Aún cuando la estandarización de pesas y medidas ha sido una meta del avance social y económico desde hace mucho tiempo, no fue sino hasta el siglo xviii que se desarrolló un sistema unificado de mediciones. Los primeros sistemas de pesas y medidas estaban basados en la morfología humana. Frecuentemente, los nombres de las unidades se referían a partes del cuerpo: la pulgada, la mano, el pie y la yarda corresponden a las dimensiones del cuerpo humano. Consecuentemente, esas unidades de medición no eran fijas, variaban de una ciudad a otra, de una ocupación a otra, y en el tipo de objeto a ser medido. La falta de un sistema de mediciones estandarizado fue una fuente de errores y fraudes en transacciones sociales y comerciales, poniendo freno al comercio internacional y evitando el desarrollo de la ciencia como compromiso internacional. Con la expansión de la industria y el comercio, hubo una creciente necesidad entre países de armonizar las pesas y medidas. Los políticos y científicos resolvieron esta situación adoptando un estándar de medida (distancia o peso) por comparación con un estándar tomados de la Naturaleza. Una de tales medidas fue el metro, el cual se definió en un decreto de la Asamblea Nacional Francesa (7 de abril 1795) como la diez millonésima parte de un cuarto del meridiano terrestre, pero especificado por mediciones realizadas entre Dunkerke y Barcelona. Tal unidad no es arbitraria, ya que está basada en el tamaño de la Tierra. Una vez que la unidad de longitud se definió, fue posible establecer las unidades resultantes de medición: el metro cuadrado (para área) y el metro cúbico (para volumen). El kilogramo se definió originalmente como el peso de un cierto volumen de agua, un líquido fácil de obtener y purificar. Tal sistema de múltiplos simples de unidades base se extiende fácilmente. El sistema métrico decimal se introdujo en Francia el 7 de abril de 1795 por la Ley “Sobre pesas y medidas”. Esta ley produjo un cambio mayor en la vida cotidiana, facilitando los cálculos por ejemplo de áreas y volúmenes. La conversión de un submúltiplo a un múltiplo de la unidad de longitud consiste en mover la coma decimal dos o tres lugares para área o volumen, respectivamente. Los primeros estándares (etalones) del metro y el kilogramo, contra los cuales se compararían las futuras copias, fueron depositados en los Archivos de la República Francesa en 1799, dedicado a “todos los hombres y todos los tiempos”. Debido a su simplicidad y universalidad, el sistema métrico decimal se dispersó rápidamente fuera de Francia. El desarrollo de los ferrocarriles, el crecimiento de la industria y la creciente importancia del intercambio social y económico, requerían de unidades de medición exactas y confiables. Adoptado a principio del siglo 19 en varias provincias italianas, el sistema métrico decimal fue adoptado en Holanda en 1816 y fue seleccionado por España en 1849. En Francia, se adoptó el sistema métrico decimal como exclusivo con la ley del 4 de julio de 1837.

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Metrología

Figura 1. Estándares patrón (etalones) del kilogramo y del metro. En 1860, los países de Latinoamérica adoptaron el metro, y a partir de ahí se incrementó la adopción del sistema métrico por otras naciones durante la segunda mitad del siglo xix (por ejemplo, los Estados Unidos de América, 1866; Canadá, 1871; Alemania, 1871). México se adhirió al Tratado del Metro el 30 de diciembre de 1890. Sin embargo, esos países dependían de sus estándares nacionales que eran copias del prototipo internacional original. Esta dependencia junto con la dificultad de uniformidad para hacer copias, limitó el deseo internacional de estandarización. Para superar esas dificultades se fundó el Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) por los términos del tratado diplomático conocido como la Convención del Metro el 20 de mayo de 1875. Para celebrar la firma de la Convención del Metro, se conoce la fecha del 20 de mayo como el Día Mundial de la Metrología. En el año de 1948, la novena Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) encomienda al Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM), mediante su resolución 6, el estudio completo de una reglamentación de las unidades de medida del sistema MKS y de una unidad eléctrica del sistema práctico absoluto, a fin de establecer un sistema de unidades de medida susceptible de ser adoptado por todos los países signatarios de la Convención del Metro. Esta misma Conferencia en su resolución 7, fija los principios generales para los símbolos de las unidades y proporciona una lista de nombres especiales para ellas. En 1954, la décima Conferencia General de Pesas y Medidas, en su resolución 6 adopta las unidades de base de este sistema práctico de unidades en la forma siguiente: de longitud, metro; de masa, kilogramo; de tiempo, segundo; de intensidad de corriente eléctrica, ampere; de temperatura termodinámica, kelvin; de intensidad luminosa, candela. En 1956, reunido el Comité Internacional de Pesas y Medidas, emite su recomendación número 3 por la que establece el nombre de Sistema Internacional de Unidades (SI), para las unidades de base adoptadas por la décima CGPM. Posteriormente, en 1960 la décima primera CGPM en su resolución 12 fija los símbolos de las unidades de base, adopta definitivamente el nombre de Sistema Internacional de Unidades; designa los múltiplos y submúltiplos y define las unidades suplementarias y derivadas. La decimacuarta CGPM efectuada en 1971, mediante su resolución 3 decide incorporar a las unidades de base del SI, la mol como unidad de cantidad de sustancia. Con esta son 7 las unidades de base que integran el Sistema Internacional de Unidades. 14

Metrología En 1980, en ocasión de la reunión del CIPM se hace la observación de que el estado ambiguo de las unidades suplementarias compromete la coherencia interna del SI y decide recomendar (resolución número 1) que se interprete a las unidades suplementarias como unidades derivadas adimensionales. Finalmente, la vigésima Conferencia General de Pesas y Medidas celebrada en 1995 decide aprobar lo expresado por el CIPM, en el sentido de que las unidades suplementarias del SI, nombradas radián y esterradián, se consideren como unidades derivadas adimensionales y recomienda consecuentemente, eliminar esta clase de unidades suplementarias como una de las que integran el Sistema Internacional. Como resultado de esta resolución que fue aprobada, el SI queda conformado únicamente con dos clases de unidades: las de base y las derivadas. La CGPM está constituida por los delegados que representan a los gobiernos de los países miembros, quienes se reúnen cada cuatro años en París, Francia. Cada Conferencia General recibe el informe del CIPM sobre el trabajo realizado. En su seno se discuten y examinan los acuerdos que aseguran el mejoramiento y diseminación del Sistema Internacional de Unidades; se validan los avances y los resultados de las nuevas determinaciones metrológicas fundamentales y las diversas resoluciones científicas de carácter internacional y se adoptan las decisiones relativas a la organización y desarrollo del BIPM. La última reunión de la CGPM, la vigésima segunda realizada desde su creación, se llevó a cabo del 13 al 17 de octubre de 2003 en París, con la participación del CENAM en representación de México. •

Definición

La definición del término “metrología” en la norma mexicana NMX-Z-055:1996 IMNC MetrologíaVocabulario de Términos Fundamentales y Generales (VIM) es la siguiente: La Metrología es la ciencia de la medición, comprendiendo las determinaciones experimentales y teóricas a cualquier nivel de incertidumbre en cualquier campo de la ciencia y la tecnología. •

Importancia

La ciencia de la medición no está, sin embargo, reservada exclusivamente a los científicos. Es de vital importancia para todos nosotros. La intrincada pero invisible red de servicios, proveedores y comunicaciones depende de la metrología para su eficiente y operación confiable, por ejemplo: •

El éxito económico de las naciones depende de la capacidad de los fabricantes y exportadores para comercializar productos y componentes manufacturados y probados precisamente.

•

Los sistemas de navegación de satélites y la correlación internacional del tiempo hacen posible la localización exacta, permitiendo la interconexión de sistemas de computadoras alrededor del mundo, y permitiendo que las aeronaves aterricen aún con poca visibilidad.

•

La salud humana depende críticamente de la capacidad de hacer diagnósticos exactos, y en los cuales tienen creciente importancia las mediciones confiables, como: la temperatura, la presión sanguínea, la estatura, el peso, la cantidad de glucosa en la sangre, etc.

•

Los consumidores tienen que confiar en la cantidad de gasolina que surte una bomba en la gasolinera. 15

Metrología •

El cuidado del medio ambiente requiere de la capacidad de medir partículas microscópicas en el aire, o la existencia de gases dañinos en la atmósfera, etc.

Todas las formas de mediciones químicas y físicas afectan la calidad del mundo en el cual vivimos. Actividad Describe cinco actividades cotidianas que requieren de medir magnitudes y explica el método que utilizas para realizar las mediciones. Principios y fundamentos Varios de los conceptos clásicos de metrología tienen sus raíces en la física, pero esos conceptos se han aplicado exitosamente a otras áreas de la ciencia y la tecnología.

Figura 2. Relación lógica entre conceptos de metrología para usarse en estandarización en mediciones. La Figura 2 muestra un modelo de la relación lógica entre estándares, medición y cantidades. Esta figura muestra la cadena lógica entre una propiedad conceptualizada y el valor medido de esa propiedad, dentro de un sistema de estándares y trazabilidad. A continuación examinaremos cada uno de los componentes de la Figura 2. El término “estándar” es inevitable, pero debe utilizarse cuidadosamente, ya que tiene dos significados: como una especificación (o también denominada “norma”) y como la realización de referencia de la unidad de una cantidad (o también denominada “patrón”). La definición del VIM para el término patrón es:

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Metrología Medida materializada, instrumento de medición, material de referencia o sistema de medición destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o uno o varios valores de una magnitud para servir de referencia. Los dos significados son muy diferentes. Por ejemplo, el código ASCII es un estándar en el primer sentido, pero no en el segundo. Desafortunadamente hay una tendencia a usar el término sin reflexionar sobre el sentido en el cual se está entendiendo. Es importante entender que la Figura 2 es un diagrama de relaciones lógicas, no de desarrollo cronológico. Históricamente, varias (si no la mayoría) cantidades empezaron como comparaciones cualitativas (por ejemplo, “frío” y “caliente”), seguida por la invención de una cantidad definida formalmente (por ejemplo, “temperatura”), y finalmente con el desarrollo de unidades, escalas, y un sistema de estándares. Cantidades En la parte superior de la Figura 2, la definición del VIM del término “cantidad” es: Cantidad Atributo de un fenómeno, cuerpo o sustancia que puede ser distinguido cualitativamente y determinado cuantitativamente. Este concepto parece claro. Sin embargo, es necesario examinar los elementos operativos de esta definición. El primer requisito es que se requiere tratar con un atributo (del sistema). En otras palabras, debe ser una propiedad específica distintiva a medir. Es crítico comprender el impacto de este punto aparentemente obvio. Hay ejemplos de “mediciones” que se pueden realizar y para las que no se puede identificar una cantidad (por ejemplo, “sabor”, “confianza del consumidor”, “sensaciones”). Para esas, puede resultar muy difícil aplicar conceptos de trazabilidad y estándares. Sin embargo, no todos los atributos cualitativamente distintos son objeto de medida. Un atributo puede ser estrictamente cualitativo (por ejemplo, cuando un programa de computadora es un procesador de palabras o una pintura es hermosa). Para ser sujeto de medición, debe ser posible determinar un atributo cuantitativamente. Una propiedad es una cantidad si ésta permite un ordenamiento lineal del sistema de acuerdo con esa propiedad. En otras palabras, una propiedad p es una cantidad si siempre podemos decir que dos sistemas que tienen la propiedad p, son iguales en p o que un sistema es menor que el otro en p. Asignar números a las propiedades no es suficiente. Los números deben ser significativos en términos de una relación de orden entre los objetos que tienen esa propiedad. Unidades y escalas La existencia de una cantidad es un requisito necesario, pero no suficiente para la existencia de una medición. Para hacer mediciones, es necesario ser capaces de asignar un número a las cantidades. Utilicemos lo siguiente como definición para una medición:

1. Hay una regla para asignar un valor determinado (usualmente cero) a la cantidad.



2. Hay un estado específico, reproducible de los objetos para el cual debe asignarse un segundo valor especial (usualmente uno), esto es, debe haber una unidad. 17

Metrología

3. Hay una escala, de múltiplos y submúltiplos de la unidad, para la cual hay una regla que establece las condiciones empíricas bajo las cuales dos intervalos medidos son iguales. (Por ejemplo, un centímetro tiene el mismo intervalo de longitud en cualquier punto de la regla).

Realización y referencias Las definiciones de cantidad y unidad no son suficientes para proveer los medios para una medición. La medición, es en esencia, la comparación de un objeto, no con la unidad de la cantidad que está siendo medida, sino a una realización física de la unidad. El objeto bajo medición se compara, respecto a la cantidad correspondiente, por una serie de operaciones con los miembros de un conjunto de estándares, o sus equivalentes. El VIM define diversos tipos de estándares. Usualmente hay un estándar especial: Patrón primario Patrón que es designado o ampliamente reconocido que presenta las más altas cualidades metrológicas y cuyo valor es establecido sin referirse a otros patrones de la misma magnitud. La realización de una unidad usualmente toma la forma de un patrón primario. Esto es, un objeto físico o un fenómeno seleccionado para determinar la unidad de la cantidad en cuestión. En el Sistema Internacional de Unidades, sólo la unidad de masa (el kilogramo), está definido en términos de un artefacto. Todas las otras unidades están definidas en términos de principios científicos y la realización de la unidad es un reto tecnológico. Los patrones secundarios son estándares cuyos valores se asignan por comparación con un patrón primario de la misma cantidad. Los patrones secundarios se utilizan cuando resulta impráctico que todas las mediciones se realicen por comparación directa con el patrón primario. Valores medidos Un valor medido es el resultado numérico obtenido de la aplicación de un método de medición a un objeto, el cual posee una cantidad. Una característica importante de un valor medido es la trazabilidad. El comercio internacional requiere de mediciones trazables. La definición del VIM es: Trazabilidad Propiedad del resultado de una medición o del valor de un patrón, tal que esta pueda ser relacionada con referencias determinadas, generalmente patrones nacionales o internacionales, por medio de una cadena ininterrumpida de comparaciones teniendo todas incertidumbres determinadas. Esta definición debe aplicarse en un sistema de medición de acuerdo con la Figura 2. El concepto de trazabilidad es muy importante, ya que se refiere a una propiedad de una medición que pueda ser comparada con los patrones que se encuentran en el Centro Nacional de Metrología, es decir, todo instrumento de medición debe estar calibrado, no necesariamente por el Centro Nacional de Metrología, puede estar calibrado por otro laboratorio, pero de tal manera que ese laboratorio tenga calibrados sus instrumentos, así sucesivamente hasta llegar a la comparación con el patrón nacional. 18

Metrología Actividad Visita el sitio en Internet de la Entidad Mexicana de Acreditación www.ema.org e investiga cuantos laboratorios se encuentran acreditados. •

Normalización

En México, el 1 de julio de 1992 se publicó en el Diario Oficial de la Federación la Ley Federal sobre Metrología y Normalización (LFMN), lo cual ha representado un avance muy importante para el desarrollo del país, en su Artículo 2, la LFMN establece los objetivos de su aprobación, por lo que se transcribe a continuación: Artículo 2°.- Esta Ley tiene por objeto: I. En materia de Metrología: a) Establecer el Sistema General de Unidades de Medida; b) Precisar los conceptos fundamentales sobre metrología; c) Establecer los requisitos para la fabricación, importación, reparación, venta, verificación y uso de los instrumentos para medir y los patrones de medida; d) Establecer la obligatoriedad de la medición en transacciones comerciales y de indicar el contenido neto en los productos envasados; e) Instituir el Sistema Nacional de Calibración; f) Crear el Centro Nacional de Metrología, como organismo de alto nivel técnico en la materia; y g) Regular, en lo general, las demás materias relativas a la metrología. II. En materia de normalización, certificación, acreditamiento y verificación: a) Fomentar la transparencia y eficiencia en la elaboración y observancia de normas oficiales mexicanas y normas mexicanas; b) Instituir la Comisión Nacional de Normalización para que coadyuve en las actividades que sobre normalización corresponde realizar a las distintas dependencias de la administración pública federal; c) Establecer un procedimiento uniforme para la elaboración de normas oficiales mexicanas por las dependencias de la administración pública federal; d) Promover la concurrencia de los sectores público, privado, científico y de consumidores en la elaboración y observancia de normas oficiales mexicanas y normas mexicanas; e) Coordinar las actividades de normalización, certificación, verificación y laboratorios de prueba de las dependencias de la administración pública federal; f) Establecer el sistema nacional de acreditamiento de organismos de normalización y de certificación, unidades de verificación y de laboratorios de prueba y de calibración; y g) En general, divulgar las acciones de normalización y demás actividades relacionadas con la materia. 19

Metrología En México, existen tres tipos de normas: las Normas Oficiales Mexicanas (NOM) que son de observancia obligatoria, las Normas Mexicanas (NMX) que son de observancia “voluntaria”, aunque si en un proceso, servicio o producto se declara su observancia, será obligatoria y las Normas de Referencia (NRF’s). Como ya se ha visto, el Artículo 2 de la LFMN establece la creación de la Comisión Nacional de Normalización, la cual agrupa a todos los organismos que producen normas nacionales, para consulta se puede visitar el sitio www.economia-noms.gob.mx en internet. Actividad Elabora un listado de los principales organismos normalizadores en México. Los siguientes sitios nos refieren a organismos internacionales que emiten normas: Comisión Electrotécnica Internacional-IEC

www.iec.ch

La IEC (International Electrotechnical Comission) es el organismo responsable de la normalización internacional en los sectores electrónico y eléctrico, no cubiertos por la ISO. Facilita el comercio internacional de los productos electrotécnicos. Organización Internacional de Normalización-ISO

www.iso.ch

La ISO es una federación mundial de organismos nacionales de normalización. Facilita el desarrollo de la normalización y actividades conexas en el mundo. Organización Internacional de Metrología Legal-OIML

www.oiml.int

Organización creada para promover la armonización global de los procedimientos de metrología legal. Desarrolla reglamentos tipo y recomendaciones internacionales, como base reconocida para el establecimiento de las reglamentaciones en diversas categorías. Unión Internacional de Telecomunicaciones-UIT

www.uit.int

La UIT tiene como funciones el logro de los objetivos de la unión en materia de normalización de las telecomunicaciones, a través del estudio de las cuestiones técnicas, de explotación, tarificación y adopción de recomendaciones a escala mundial. Comisión Panamericana de Normas Técnicas-COPANT

www.copant.org

Asociación civil que agrupa a todos los organismos de normalización de los países de América Continental y del Caribe: Trinidad y Tobago, República Dominicana, Cuba, Jamaica y Barbados, totalizando 25 miembros activos. 20

Metrología Asociación Española de Normalización-AENOR

www.aenor.es

Asociación que lleva a cabo las actividades de Normalización y Certificación en España.

Cada proceso está sujeto a normas que pueden ser obligatorias o no, incluso hay procesos o productos que se fabrican en nuestro país que satisfacen normas de otros países, el ámbito de la metrología no es la excepción. En primera instancia, debemos señalar cuatro normas mexicanas muy importantes: •

NMX-Z-055:1996 IMNC “Metrología-Vocabulario de Términos Fundamentales y Generales”

•

NOM-008-SCFI-2002 “Sistema General de Unidades de Medida”

•

NMX-EC-17025:2000 IMNC “Requisitos generales para la competencia de los laboratorios de ensayo y de calibración”

•

NMX-CH-140-IMNC-2002 “Guía para la expresión de incertidumbre en las mediciones”

Este grupo de normas contienen los elementos legales que debe seguir cualquier metrólogo, sin importar su ámbito de competencia, para realizar mediciones en base a los acuerdos internacionales. 1.2 Tipos de metrología Según se decretó en la LFMN, el Centro Nacional de Metrología (CENAM), es el organismo en México, responsable de la realización y conservación de los patrones nacionales. En el CENAM existen cuatro áreas de metrología con sus respectivas divisiones, las cuales se enlistan a continuación: •

Metrología eléctrica •

Tiempo y frecuencia. Tiene la función de establecer, mantener y mejorar los patrones nacionales de tiempo y frecuencia. Así mismo, tiene la responsabilidad de diseminar la exactitud de estos patrones hacia las actividades productivas del país que requieren de mediciones en estas dos magnitudes de medición. Los laboratorios de esta División son: o o o o

Desarrollo de Patrones Primarios de Frecuencia Generación de las Escalas de Tiempo Calibración de Relojes y Osciladores de Alta Exactitud Diseminación de Tiempo

•

Mediciones electromagnéticas: Tiene como función el desarrollo, establecimiento, mantenimiento y mejora de los patrones nacionales de las magnitudes eléctricas y magnéticas más importantes para los sectores usuarios en México. Actualmente se han establecido once patrones nacionales en magnitudes electromagnéticas.

•

Termometría: Prácticamente en todos los sectores industriales se realizan mediciones de temperatura por diversos medios. El control y la medición de temperatura son 21

Metrología actividades fundamentales para la determinación de la calidad de los productos de las industrias electrónica, química, farmacéutica, bioquímica, metalúrgica, alimentos y otros. Los usuarios de termómetros de estos sectores requieren de referencias confiables y reconocidas internacionalmente para la calibración de sus instrumentos y para la investigación sobre nuevos métodos de medición y procedimientos que permitan mejorar las mediciones y el control de temperatura. •

La División de Termometría (DTR) mantiene la unidad de temperatura, el kelvin, mediante un conjunto de celdas para la reproducción del punto triple del agua construidas y caracterizadas en sus laboratorios. Asimismo, la DTR mantiene como patrón nacional de temperatura, la reproducción de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (EIT-90 ), en el intervalo desde -180°C hasta 960°C por medio de termometría de resistencia de platino y desde 960°C hasta 2000°C vía termometría de radiación. Los laboratorios de la DTR son los siguientes: o o o o o

•

Termometría de resistencia de platino Termometría de termopares Termometría de radiación Humedad Propiedades termofísicas

Metrología física Óptica y radiometría. Esta división tiene a su cargo el establecimiento y mantenimiento de los patrones nacionales en los campos de fotometría (la candela), radiometría, espectrofotometría, polarimetría, refractometría, optoelectrónica y fibras ópticas. Entre la gran diversidad de sectores beneficiados por estos patrones se encuentran los sectores de salud, farmacéutico, petroquímico, textil, de pinturas, iluminación y telecomunicaciones, entre otros. •

•

Vibraciones y acústica. Esta división tiene a su cargo los patrones nacionales de aceleración y de acústica que, a través de las diferentes cadenas de diseminación, tienen impacto en mediciones que repercuten en la productividad de la planta industrial y en otros campos de actividad, como el comercio, la salud, la seguridad y la higiene en la sociedad. Para ilustrar la variedad de aplicaciones de estas mediciones es posible mencionar como ejemplo la vibración en automóviles y camiones, la vibración de edificios y sismología, las pruebas no destructivas por ultrasonido, la calidad acústica de equipos de audio, los niveles de presión acústica (ruido) en lugares de trabajo y en áreas urbanas, los niveles de sensibilidad auditiva y las aplicaciones médicas del ultrasonido.

Metrología mecánica •

Dimensional. La metrología dimensional es básica para la producción en serie y la intercambiabilidad de partes. Con tal propósito esta división tiene a su cargo los patrones nacionales de longitud y ángulo plano. La unidad de longitud se disemina mediante la calibración de bloques patrón de alto grado de exactitud por medio de un interferómetro. Estos, a su vez, calibran otros de menor exactitud, estableciéndose la cadena de trazabilidad que llega hasta las mediciones de los instrumentos de uso industrial común. De esta manera, se les da

22

Metrología trazabilidad a partir del patrón nacional a instrumentos y patrones dimensionales de gran importancia industrial, como anillos y tampones patrón, patrones de roscas, galgas de espesores, patrones de forma y posición, artefactos para la calibración de máquinas de medición por coordenadas, mesas de planitud, así como a la verificación de máquinas herramientas entre otros. El patrón primario de pequeños ángulos es utilizado para calibrar niveles y autocolimadores principalmente.

•

•

Masa y densidad. Esta división mantiene los patrones nacionales correspondientes a las magnitudes de masa y densidad; para el desarrollo de sus actividades opera seis laboratorios: Patrón Nacional de Masa, Patrón Nacional de Densidad, Patrones de Referencia, Pequeñas Masas, Densidad de Sólidos y Densidad de Líquidos.

•

Fuerza y presión. Esta división es responsable de los patrones de las magnitudes de fuerza, par torsional, dureza, tenacidad, presión absoluta, presión relativa y vacío.

•

Flujo y volumen. El flujo de fluidos es un fenómeno que se presenta en una gran variedad de procesos industriales, y cuya correcta medición es vital para la economía de numerosas empresas. Por ello, la calibración de medidores y la caracterización de los sistemas de medición de fluidos tienen importantes repercusiones económicas en muchos sectores de la sociedad. Para satisfacer los requerimientos de exactitud en esta magnitud física, en la división de Metrología de Flujo y Volumen del CENAM se mantienen los patrones nacionales de flujo de gas, flujo de líquidos, volumen y viscosidad.

Metrología de materiales Materiales metálicos. La división de materiales metálicos tiene entre sus principales actividades el desarrollo establecimiento y mantenimiento de los sistemas primarios para la certificación de materiales de referencia primarios que apoyen el establecimiento de la trazabilidad en el país de las mediciones involucradas en el área de química analítica inorgánica. •

Materiales cerámicos. Las dos últimas décadas han atestiguado marcados avances en la tecnología de materiales duros no metálicos, por medio del refinamiento de productos existentes y la invención de nuevos. La tendencia moderna al uso de este tipo de materiales en aplicaciones de ingeniería ha orientado las actividades de la División de Materiales Cerámicos a la asistencia de la industria nacional mediante el desarrollo de bases propias para determinar las propiedades y comportamiento de este tipo de materiales, con el fin de mejorar sus bases de diseño, especificación y caracterización.

•

Materiales orgánicos. Esta división realiza y certifica materiales de referencia relacionados con aplicaciones en salud e higiene industrial, ambiente, alimentos y agricultura, materias primas y productos industriales, combustibles y gases; así como materiales de referencia para propiedades físicas como actividad iónica y propiedades poliméricas. La división proporciona, asimismo, servicios de calibración de analizadores de gases, estudios comparativos de mediciones analíticas, así como desarrollo y validación de métodos analíticos. 23

Metrología Actividad Visita el sitio en Internet del Centro Nacional de Metrología, www.cenam.com.mx, e investiga cuál es la exactitud máxima con la que se puede medir cada una de las siete unidades base del Sistema Internacional de Unidades, con los patrones nacionales actuales. 1.3 Sistemas de unidades Como ya estudiamos en el resumen histórico de la metrología, las diversas culturas han desarrollado sistemas de medición que les permitían comerciar de forma justa, y a finales del siglo dieciocho, con el desarrollo del sistema métrico decimal, el antecesor del Sistema Internacional de Unidades, se inició un proceso a nivel mundial para contar con un sólo sistema de mediciones, sin embargo hasta la fecha, algunos de los países de habla inglesa aún no concluyen el proceso de implantación del Sistema Internacional, entre ellos, la economía más poderosa del mundo y el principal socio comercial de México, los Estados Unidos de América, quienes siguen usando el llamado Sistema Inglés, el cual debemos estudiar dado que todavía existen muchos artículos que se producen utilizándolo, por ejemplo: llaves de media pulgada, recipientes de un galón, aire acondicionado de 50 000 BTU, etc. •

Sistema Inglés

El sistema para medir longitudes en los Estados Unidos se basa en la pulgada, el pie (medida), la yarda y la milla. Cada una de estas unidades tienen dos definiciones ligeramente distintas, lo que ocasiona que existan dos diferentes sistemas de medición. Una pulgada de medida internacional es exactamente 25,4 milímetros, mientras que una pulgada de agrimensor de los Estados Unidos de América se define para que 39,37 pulgadas sean exactamente un metro. Para la mayoría de las aplicaciones, la diferencia es insignificante (aproximadamente 3 mm. por milla). La medida internacional se utiliza para la mayoría de las aplicaciones (incluyendo ingeniería y comercio), mientras, que la de examinación es solamente para agrimensura. La medida internacional utiliza la misma definición de las unidades que se emplean en el Reino Unido y otros países del Commonwealth. Las medidas de agrimensura utilizan una definición más antigua que se usó antes de que Estados Unidos de América adoptara la medida internacional. • • • • • • •

1 pulgada (in) = 25,4 mm 1 pie (medida)|pie (ft) = 12 in = 30,48 cm 1 yarda (yd) = 3 ft = 91,44 cm 1 milla (mi) = 1760 yd = 1,609344 km 1 rod (rd) = 16,5 ft = 5,0292 m 1 furlong (fur) = 40 rd = 660 ft = 201,168 m 1 milla = 8 fur = 5280 ft = 1,609347 km (survey)

A veces, con fines de agrimensura, se utilizan las unidades conocidas como Las medidas de cadena de Gunther (o medidas de cadena del agrimensor). Estas unidades se definen a continuación: • •

1 link (li) = 7,92 in = 0,001 fur = 201,168 mm 1 chain (ch) = 100 li = 66 ft = 20,117 m

Para medir profundidades del mar, se utilizan los fathoms: • 24

1 fathom = 6 feet = 1,8288 m

Metrología Unidades de área. Las unidades de área en Estados Unidos de América se basan en la pulgada cuadrada (sq in). • • • • •

1 pulgada cuadrada (sq in) = 645,16 mm² 1 pie cuadrado (sq ft) = 144 sq in = 929,03 cm² 1 rod cuadrado (sq rd) = 272,25 sq ft = 25,316 m² 1 acre = 10 sq ch = 1 fur * 1 ch = 160 sq rd = 43 560 sq ft = 4 046,9 m² 1 milla cuadrada (sq mi) = 640 acres = 2,59 km²

Unidades de capacidad y volumen. La pulgada cúbica, pie cúbico y yarda cúbicos se utilizan comúnmente para medir el volumen. Además existe un grupo de unidades para medir volúmenes de líquidos y otro para medir materiales secos. Además del pie cúbico, la pulgada cúbica y la yarda cúbica, estas unidades son diferentes a las unidades utilizadas en el Sistema Imperial, aunque los nombres de las unidades son similares. Además, el sistema imperial no contempla más que un solo juego de unidades tanto para materiales líquidos y secos. Volumen en general • • • •

1 pulgada cúbica (in³ o cu in) = 16,387064 centímetro cúbico|cm³ 1 pie cúbico (ft³ o cu ft) = 1728 cu in = 28,317 Litro|L 1 yarda cúbica (yd³ o cu yd) = 27 cu ft = 7 646 hL 1 acre-pie = 43 560 cu ft = 325 851 gallons = 13 277,088 m³

Volumen líquido • • • • • • • •

1 minim (min) = 61,612 µL 1 dramo fluido (fl dr) = 60 min = 3 697 mL 1 onza fluida (fl oz) = 8 fl dr = 29,574 mL 1 gill (gi) = 7,21875 cu in = 4 fl oz = 118,294 mL 1 pinta (pt) = 4 gi = 16 fl oz = 473,176 mL 1 quinto = 25,6 fl oz = 757,082 mL 1 cuarto (qt) = 2 pt = 32 fl oz = 946,353 mL 1 galón (gal) = 231 cu in = 4 qt = 128 fl oz = 3,785411784

Volumen en seco • • • • •

1 pinta (pt) = 550,610 mL 1 cuarto (qt) = 2 pt = 1,101 L 1 galón (gal) = 4 qt = 268,8 cu in = 4,405 L 1 peck (pk) = 8 qt = 2 gal = 8,81 L 1 bushel (bu) = 2150,42 cu in = 4 pk = 35,239 L

Unidades de masa • • • • •

437,5 grano = 1 onza 16 onza = 1 libra (7000 grano) 14 libra = 1 piedra 100 libra = 1 hundredweight [cwt] 20 cwt = 1 ton (2000 libra) 25

Metrología Sistema Internacional En México se adoptó el Sistema Internacional de Unidades como norma oficial mexicana, la NOM008-SCFI-2002 “Sistema General de Unidades de Medida”. El Sistema Internacional de Unidades se fundamenta en siete unidades de base correspondientes a las magnitudes de longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura, cantidad de materia, e intensidad luminosa. Estas unidades son conocidas como el metro, el kilogramo, el segundo, el ampere, el kelvin, el mol y la candela, respectivamente. A partir de estas siete unidades de base se establecen las demás unidades de uso práctico, 2 unidades suplementarias, el ángulo plano y el ángulo sólido denominados radián y esterradián, así como 19 unidades derivadas, asociadas a magnitudes tales como frecuencia, fuerza, presión, trabajo o energía, potencia, resistencia eléctrica, etc.

Unidades base Parámetro Longitud

Unidad SI Símbolo metro

m

Masa

kilogramo

kg

Tiempo

segundo

s

Corriente eléctrica

ampere

A

kelvin

K

candela

cd

mol

mol

Temperatura termodinámica Intensidad luminosa

Cantidad de sustancia

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Definición La longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacío en un lapso de 1 / 299 792 458 de segundo (17ª Conferencia General de Pesas y Medidas de 1983). La masa igual a la del prototipo internacional del kilogramo (1ª y 3ª Conferencia General de Pesas y Medidas, 1889 y 1901). La duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado base del átomo de cesio 133 (13ª Conferencia General de Pesas y Medidas, 1967).. La intensidad de una corriente constante, que mantenida en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable, colocados a un metro de distancia entre sí en el vacío, produciría entre estos conductores una fuerza igual a 2 X 10-7 newton por metro de longitud (9ª Conferencia General de Pesas y Medidas, 1948). La fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua (13ª Conferencia General de Pesas y Medidas, 1967). La intensidad luminosa, en una dirección dada de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 Hz y cuya intensidad energética en esa dirección es de 1/683 watt por esterradián (16ª Conferencia General de Pesas y Medidas, 1979). La cantidad de materia que contiene tantas unidades elementales como átomos existen en 0,012 kilogramos de carbono 12 (12C) (14ª Conferencia General de Pesas y Medidas, 1971).

Metrología Unidades suplementarias Unidad SI

Símbolo

Ángulo plano

radián

rad

Ángulo sólido

steradian

sr

Parámetro

Definición Es el ángulo plano comprendido entre dos radios de un círculo, y que interceptan sobre la circunferencia de este círculo un arco de longitud igual a la del radio (ISO-31/1) Es el ángulo sólido que tiene su vértice en el centro de una esfera, y, que intercepta sobre la superficie de esta esfera una área igual a la de un cuadrado que tiene por lado el radio de la esfera (ISO-31/1)

Unidades derivadas Parámetro Frecuencia Fuerza Presión Trabajo o energía Potencia Potencial eléctrico Resistencia eléctrica Cantidad de carga Capacitancia Conductancia eléctrica Flujo magnético Densidad de flujo magnético Inductancia Temperatura (Celsius) Flujo luminoso Luminosidad Actividad nuclear Dosis absorbida Dosis equivalente

Unidad SI hertz newton pascal joule watt volt ohm coulomb farad siemens weber tesla henry grado lumen lux becquerel gray sievert

Símbolo Hz N Pa J W V ohm C F S Wb T H °C lm lx Bq Gy Sv

Definición 1/s kg*m/s² N/m² N*m J/s W/A V/A A*s C/V A/V V*s Wb/² Wb/A K cd*sr lm/m² 1/s J/kg m²/s²

La Ley Federal sobre Metrología y Normalización establece que el Sistema Internacional es el sistema de unidades oficial en México. Hay unidades que no pertenecen al Sistema Internacional pero que se conservan. También hay unidades que no pertenecen al Sistema Internacional, pero que pueden usarse temporalmente. Y hay unidades que no pertenecen al Sistema Internacional y que ya no deben utilizarse. Unidades que no pertenecen al SI, que se conservan para usarse con el SI Magnitud Tiempo

Tiempo Volumen Masa

Unidad

Símbolo

minuto hora día año grado minuto segundo litro tonelada

min h d a ° ‘ “ l, L t

Equivalente 1 min = 60 s 1 h = 60 min = 3 600 s 1 d =24 h = 86 400 s 1 a = 365,242 20 d = 31 556 926 s 1° = (π/180) rad 1’ = (π/10 800) rad 1” = (π/648 000) rad 1 L = 10-3 m3 1 t = 103 kg 27

Metrología Trabajo, energía Masa

electronvolt unidad de masa atómica

eV

1 eV = 1,602 177 x 10-19 J

u

1 u = 1,660 540 x 10-27 kg

Unidades que no pertenecen al SI, que pueden usarse temporalmente con el SI Magnitud

longitud

Unidad área hectárea barn angströn

Longitud

milla náutica

Superficie

Presión Velocidad dosis de radiación dosis absorbida Radiactividad Aceleración Dosis equivalente

bar nudo röntgen rad* curie gal rem

Símbolo a ha b Å bar R rad (rd) Ci Gal rem

Equivalencia 1 a = 102 m2 1 ha = 104 m2 1 b = 10-28 m2 1 Å = x 10-10 m 1 milla náutica = 1852 m 1 bar = 100 kPa 1 nudo = (0,514 44) m/s 1 R =2,58 x 10-4 C/kg 1 rad = 10-2 Gy 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq 1 gal = 10-2 m/s2 1 rem = 10-2 Sv

* El rad es una unidad especial empleada para expresar dosis absorbida de radiaciones ionizantes. Cuando haya riesgo de confusión con el símbolo del radián, se puede emplear rd como símbolo del rad. Ejemplos de unidades que no deben utilizarse Magnitud Longitud Longitud Volumen Masa Fuerza Presión Energía Fuerza Energía Luminancia Viscosidad dinámica Viscosidad cinemática Luminosidad Inducción Intensidad campo magnético Flujo magnético 28

Unidad fermi unidad X stere quilate métrico kilogramo-fuerza torr caloría dina erg stilb poise stokes phot gauss

Símbolo fm unidad X st CM kgf Torr cal dyn erg sb P St ph Gs, G

Equivalencia 10-15 m 1,002 x 10-4 nm 1 m3 2 x 10-4 kg 9,806 65 N 133,322 Pa 4,186 8 J 10-5 N 10-7 J 104 cd/m2 0,1 Pa.s 10-4 m2/s 104 lx 10-4 T

oersted

Oe

(1000 / 4π) A/m

maxwell

Mx

10-8 Wb

Metrología Inducción Masa Volumen Temperatura

gamma gamma lambda grado centígrado

10-9 T 10-9 kg 10-9 m3 1 oC

Conversión de unidades En la práctica profesional es muy frecuente convertir unidades equivalentes del Sistema Inglés al Sistema Internacional o convertir unidades dentro del mismo sistema, estas operaciones deben realizarse de manera muy cuidadosa, ya que si se cometen errores, éstos podrían ser muy costosos o catastróficos, como ejemplo, les muestro una noticia que divulgó la empresa televisiva BBC de Londres el viernes 24 de septiembre de 1999: “Los potentes radiotelescopios de la Red de Comunicación y Rastreo de Sondas Interplanetarias de la NASA están llevando a cabo un último registro de las inmediaciones de Marte en un intento desesperado de recuperar la nave”. La nave es el Mars Climate Orbiter, satélite meteorológico que la NASA envió a Marte para estudiar los fenómenos atmosféricos de ese planeta. Luego de un viaje de 10 meses desde la Tierra el satélite debería haberse puesto en órbita a 200 kilómetros de altura sobre la superficie de Marte. Dos días antes de la maniobra los instrumentos de navegación indicaban que la trayectoria de la nave la llevaría más bien a una altura de 150 kilómetros, cifra aun aceptable. Pero el Mars Climate Orbiter pasó a sólo 60 kilómetros de la superficie. A esa altura la fricción con la atmósfera del planeta empezó a sacudir y calentar el aparato. La nave se hizo pedazos y por breves instantes fue una estrella fugaz que surcó el cielo marciano. ¿El error? Un programa de computadora encargado de controlar una de las maniobras de corrección de curso que hizo el satélite antes de llegar a Marte estaba escrito para hacer cálculos con unidades de medida del sistema inglés. La NASA había pedido al fabricante que usara el Sistema Internacional. La confusión de unidades de medida le costó a la NASA 125 millones de dólares… además de la vergüenza. Regla para conversión de unidades Conversión entre unidades base

Unidades iniciales x

1. Calcular el factor de conversión: equivalencia y fc = equivalencia x 2. Igualar las unidades finales al producto de las unidades iniciales por el factor de conversión. 3. Simplificar la fracción resultante

Unidades finales y

Ejemplo. Se desea convertir 3,2 millas a metros, entonces: 29

Metrología 1. Calcular el factor de equivalencia, en el numerador se escribe la equivalencia en metros y en el denominador la equivalencia en millas:

fc =

1609,344 m 1 milla

2. Se igualan las unidades finales al producto de las unidades iniciales por el factor de conversión:

 1609,344 m   • 3,2 milla y = fc • x =   1 milla  3. Simplificamos la fracción resultante:

y = 5149,901 m Por lo tanto, 3,2 milla equivalen a 5 149,901 m. Conversión entre unidades derivadas 1. Calcular tantos factores de conversión como unidades base tenga la unidad derivada: equivalencia u i fc i = equivalencia v i 2. Igualar las unidades finales al producto o cociente de las unidades iniciales por los factores de conversión, según aparezcan las unidades base. 3. Simplificar la fracción resultante

Unidades iniciales x

Ejemplo. Convertir la velocidad

50

m milla a su equivalente en . h s

1.- Calcular los factores de equivalencia:

fc 1 =

1609,344 m 1 milla

fc 2 = 30

3600 s 1h

Unidades finales y

Metrología 2. Se igualan las unidades finales al producto de las unidades iniciales por los factores de conversión:

fc y= 1 x= fc 2

1609,344 m 3600 s

1 milla

1h

• 50

milla h

1609,344 m • 1 h milla 1609,344 m • 50 = • 50 h s 3600 s • 1 milla 3600 m = 2 ,352 s =

Por lo tanto, una velocidad de

50

milla m equivale a una velocidad de 2 ,352 . h s

Adicionalmente nos podemos auxiliar de las siguientes tablas para realizar conversiones. Conversiones en el Sistema Inglés.

Longitud 12 pulgada = 1 pie 3 pie = 1 yarda 220 yarda = 1 furlong 8 furlong = 1 milla 5280 pie = 1 milla 1760 yarda = 1 milla Volumen 1728 pulgada cúbica = 1 pie cúbico 27 pie cúbico = 1 yarda cúbica Capacidad (seco) 2 pinta = 1 cuarto 8 cuartos = 1 peck 4 peck = 1 bushel Masa 437,5 grano = 1 onza 16 onza = 1 libra (7000 grano) 14 libra = 1 piedra 100 libra = 1 hundredweight [cwt] 20 cwt = 1 ton (2000 libra)

Área 144 pulgada cuadrada = 1 pie cuadrado 9 pie cuadrado = 1 yarda cuadrada 4 840 yarda cuadrada = 1 acre 640 acre = 1 milla cuadrada 1 milla cuadrada = 1 sección

Capacidad (fluido) 16 onzas de fluido = 1 pinta 4 gill = 1 pinta 2 pinta = 1 cuarto 4 cuarto = 1 galón (8 pinta)

31

Metrología Actividad Realiza la conversión de las siguientes cantidades. a) 75 pulgadas en yardas b) 75 pies cuadrados en yardas cuadradas c) 75 onzas de fluido en galones d) 3275 libras en toneladas Conversiones en el Sistema Internacional. Las conversiones entre unidades del Sistema Internacional son relativamente sencillas, ya que en cada magnitud sólo requerimos de multiplicar por múltiplos o submúltiplos de 10, de acuerdo con la siguiente tabla: Prefijos para formar múltiplos y submúltiplos Nombre yotta zetta exa peta tera giga mega kilo hecto deca deci centi mili micro nano pico femto atto zepto yocto

Símbolo Y Z E P T G M k h da d c m μ n p f a z y

Valor 10 = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 1021 = 1 000 000 000 000 000 000 000 1018 = 1 000 000 000 000 000 000 1015 = 1 000 000 000 000 000 1012 = 1 000 000 000 000 109 = 1 000 000 000 106 = 1 000 000 103 = 1 000 102 = 100 101 = 10 10-1 = 0,1 10-2 = 0,01 10-3 = 0,001 10-6 = 0,000 001 10-9 = 0,000 000 001 10-12 = 0,000 000 000 001 10-15 = 0,000 000 000 000 001 10-18 = 0,000 000 000 000 000 001 10-21 = 0,000 000 000 000 000 000 001 10-24 = 0,000 000 000 000 000 000 000 001 24

Ejemplo: Deseamos expresar el espesor de una córnea de 0,52 mm en micrómetros. 1. Calcular los factores de equivalencia:

fc = 32

1000 mm 1m

Metrología 2. Se igualan las unidades finales al producto de las unidades iniciales por los factores de conversión:

 1000 mm   • 0,52 m y = fc • x =    1m = 520 mm Por lo tanto, el espesor de la córnea expresado en micrómetros es de 520 μm. Actividad Realiza la conversión de las siguientes cantidades. a) 52 cm en metros b) 535 m en kilómetros c) 72 cm2 en milímetros cuadrados d) 275 s en milisegundos e) 65 kg en microgramos Adicionalmente, el sistema internacional establece reglas generales para la escritura de los símbolos de las unidades del SI: 1. Los símbolos de las unidades deben ser expresados en caracteres romanos, en general, minúsculas, con excepción de los símbolos que se derivan de nombres propios, en los cuales se utilizan caracteres romanos en mayúsculas Ejemplos: m, cd, K, A 2. No se debe colocar punto después del símbolo de la unidad 3. Los símbolos de las unidades no deben pluralizarse Ejemplos: 8 kg, 50 kg, 9 m, 5 m 4. El signo de multiplicación para indicar el producto de dos ó más unidades debe ser de preferencia un punto. Este punto puede suprimirse cuando la falta de separación de los símbolos de las unidades que intervengan en el producto, no se preste a confusión. Ejemplo: N·m o Nm, también m·N pero no: mN que se confunde con milinewton, submúltiplo de la unidad de fuerza, con la unidad de momento de una fuerza o de un par (newton metro). 5. Cuando una unidad derivada se forma por el cociente de dos unidades, se puede utilizar una línea inclinada, una línea horizontal, o bien potencias negativas. Ejemplo: m/s o ms-1 para designar la unidad de velocidad: metro por segundo.

33

Metrología 6. No debe utilizarse más de una línea inclinada a menos que se agreguen paréntesis. En los casos complicados, deben utilizarse potencias negativas o paréntesis. Ejemplos:

m/s2 o m·s-2, pero no: m/s/s m·kg / (s3·A) o m·kg.s-3·A-1, pero no: m·kg/s3/A

7. Los múltiplos y submúltiplos de las unidades se forman anteponiendo al nombre de éstas los prefijos correspondientes con excepción de los nombres de los múltiplos y submúltiplos de la unidad de masa en los cuales los prefijos se anteponen a la palabra “gramo”. Ejemplo:

dag, Mg (decagramo; megagramo) ks, dm (kilosegundo; decímetro)

8. Los símbolos de los prefijos deben ser impresos en caracteres romanos (rectos), sin espacio entre el símbolo del prefijo y el símbolo de la unidad Ejemplo: mN (milinewton) y no: m N 9. Si un símbolo que contiene a un prefijo está afectado de un exponente, indica que el múltiplo de la unidad está elevado a la potencia expresada por el exponente Ejemplo:

1 cm3 = (10-2 m)3 = 10-6 m3 1 cm-1 = (10-2 m)-1 = 102 m-1

10. Los prefijos compuestos deben evitarse Ejemplo:

1 nm (un nanómetro) pero no: 1 mµm (un milimicrómetro)

Adicionalmente deben utilizarse las siguientes reglas para la escritura de los números y su signo decimal: Números. Los números deben ser generalmente impresos en tipo romano. Para facilitar la lectura de números con varios dígitos, éstos deben ser separados en grupos apropiados preferentemente de tres, contando del signo decimal a la derecha y a la izquierda, los grupos deben ser separados por un pequeño espacio, nunca con una coma, un punto, o por otro medio. Signo decimal. El signo decimal debe ser una coma sobre la línea (,). Si la magnitud de un número es menor que la unidad, el signo decimal debe ser precedido por un cero. Conversión dentro de un sistema La unidad de longitud del sistema internacional es el metro. Para cambiar cualquier unidad de longitud en su valor equivalente en metros, utilice el factor de conversión de la tabla.

34

Metrología angstrom centímetro pie furlong pulgada kilómetro x 1000 año luz

divide por 10 000 000 000 x 0,01 x 0,3048 x 201,168 x 0,0254

metro [m]

1

x 9 460 500 000 000 000

micrón (=micrómetros) x 0,000 001 milla x 1609,344 milla (náutica) x 1852 pica (computadora) x 0,004 233 333 pica (impresoras) x 0,004 217 518 punto (computadora) x 0,000 352 777 8 punto (impresoras) x 0,000 351 459 8 yarda x 0,9144 Actividad Realiza la conversión de las siguientes cantidades. a) 35 yardas en metros b) 65 millas en kilómetros c) 822 cm en pulgadas d) 2,5 m en pies e) 200 furlong en metros La unidad de área del sistema internacional es el metro cuadrado. Para cambiar cualquier unidad de área en su valor equivalente en metros cuadrados, utilice el factor de conversión de la tabla.

acre x 4046,856 422 4 hectárea x 10 000 centímetro cuadrado x 0,000 1 pie cuadrado x 0,092 903 04 pulgada cuadrada x 0,000 645 16 kilómetro cuadrado x 1 000 000 metro cuadrado

1

milla cuadrada milímetro cuadrado yarda cuadrada

x 2 589 988,110 336 x 0,000 001 x 0,836 127 36 35

Metrología Actividad Realiza la conversión de las siguientes cantidades. f) 35 acres en hectáreas g) 72 pulgadas cuadradas en cm2 h) 725 pies cuadrados en metros cuadrados i) 221 km2 en milla cuadrada j) 152 m2 en yarda cuadrada La unidad de volumen del sistema internacional es el metro cúbico. Sin embargo, el metro cúbico es menos utilizado que el litro (1 metro cúbico = 1000 L). Para cambiar cualquier unidad de volumen en su valor equivalente en litros, utilice el factor de conversión de la tabla. barril (petróleo) x 158,987 294 928 bushel (US) x 35,239 070 166 88 centilitro x 0,01 centímetro cúbico x 0,001 decímetro cúbico 1 decámetro cúbico x 1 000 000 pie cúbico x 28,316 846 592 pulgada cúbica x 0,016 387 064 metro cúbico x 1000 milímetro cúbico x 0,000 001 yarda cúbica x 764,554 857 984 decilitro x 0,1 onza, líquidos(US) x 0,029 573 529 562 5 galón, secos (US) x 4,404 883 770 86 galón, líquidos (US) x 3,785 411 784 litro [l o L]

1

mililitro x 0,001 pinta, secos(US) x 0,550 610 471 357 5 pinta, líquidos (US) x 0,473 176 473 cuarto, secos (US) x 1,101 220 942 715 cuarto, líquidos (US) x 0,946 352 946 Actividad. Realiza la conversión de las siguientes cantidades. k) 23 onzas en litros l) 18 pulgadas cúbicas en litros m) 300 pies cúbicos en metros cúbicos. n) 18 L en galones líquidos. ñ) 450 mL en pulgadas cúbicas. 36

Metrología La unidad de masa del sistema internacional es el kilogramo. Para cambiar cualquier unidad de área en su valor equivalente en kilogramos, utilice el factor de conversión de la tabla. grano gramo

x 0,000 064 798 91 x 0,001

kilogramo [kg]

1

onza, troy x 0,031 103 476 8 libra x 0,453 592 37 piedra x 6,350 293 18 toneladas x 1000 Actividad Realiza la conversión de las siguientes cantidades. o) 200 onza troy en kilogramo. p) 325 libras en kilogramos. q) 0,231 kg en onzas troy. r) 34 kg en libras s) 1 545 granos en gramos La unidad de temperatura del sistema internacional es el Kelvin. Sin embargo se utiliza con más frecuencia el grado Celsius, que son del mismo tamaño que los grados Kelvin. Para cambiar los grados Fahrenheit a Celsius o viceversa, utilice la expresión indicada en la tabla. Para cambiar temperatura dada en Fahrenheit (F) a Celsius (oC) Inicie con (F); reste 32; multiplique por 5; divida por 9; la respuesta es (oC) Para cambiar temperatura dada en Celsius (oC) a Fahrenheit (F) Inicie con (oC); multiplique por 9; divida entre 5; sume 32; la respuesta es (F). Actividad. Realiza la conversión de las siguientes cantidades. t) 32 F en grados Celsius u) 75,5 F en grados Celsius v) -15 oC en Fahrenheit w) 37 oC en Fahrenheit x) 225 F en Kelvin Ejercicios de conversión de escalas de temperatura. 1. Convertir 54 oC a F. Según el procedimiento indicado,

37

Metrología

54 × 9 = 486 486 ÷ 5 = 97 ,2 97 ,2 + 32 = 129,2 entonces 54oC = 129,2 F 2. Convertir 18 oC a K. Basta sumar a la lectura en grados Celsius la cantidad 273,15, es decir

18 + 273,15 = 291,15 entonces 18 oC = 291,15 K La unidad de energía o trabajo del Sistema Internacional es el Joule. Para cambiar cualquier unidad de energía o trabajo en su valor equivalente en Joules, utilice el factor de conversión de la siguiente tabla. British thermal units(BTU) x 1055,056 caloría x 4,1868 Caloría (alimentos) x 4186 (aprox.) erg divide entre 10 000 000 gigajoule [GJ] x 1 000 000 000 caballo de fuerza hora x 2 684 520 (aprox.) joules [J]

1

kilocaloría x 4186,8 kilogramo-fuerza metro x 9,806 65 kilojoule [kJ] x 1000 kilowatt hora [kWh] x 3 600 000 megajoule [MJ] x 1 000 000 newton metro [Nm] x 1 watt segundo [Ws] 1 watt hora [Wh] x 3600 Actividad Realiza la conversión de las siguientes cantidades. y) 50 000 BTU en Joule z) 2 000 Caballos de Fuerza hora en Joule a1) 500 kilocalorías en Joule b1) 30 kJ en BTU c1) 50 kWh en BTU

38

Metrología Resumen En esta unidad hemos hecho énfasis en la importancia que tiene el desarrollo de la metrología para la competitividad de las empresas de cualquier tipo y el desarrollo de las naciones. Presentamos un modelo de medición que consiste de las siguientes etapas: Definición, Realización, Diseminación y Medición. Se mencionó la existencia en México de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización, documento básico para quienes están involucrados en el cualquier proceso de medición, de esta Ley emana la creación del Centro Nacional de Metrología, que es el responsable de la realización y diseminación de todas las unidades, es decir, es el sitio donde deben desarrollarse y resguardarse los patrones nacionales y el origen de todas las cadenas de trazabilidad. Asimismo se habló de la importancia del desarrollo de estándares y normas para conformar un sistema de medición confiable. Se definió el importante concepto de trazabilidad, que es indispensable para la diseminación correcta de todas las unidades. Se presentó una clasificación de la metrología basada en la estructura orgánica del Centro Nacional de Metrología. Se presentaron los sistemas de unidades: Sistema Inglés y el Sistema Internacional de Unidades, así como las técnicas para la conversión de unidades entre sistemas. Se establecieron las reglas para la adecuada expresión de las unidades del Sistema Internacional de Unidades.

39

Metrología Evaluación 1. Define el concepto de Metrología. 2. Enuncia las cuatro etapas del Modelo de Medición. 3. ¿Cuál es la Ley que rige las actividades de Metrología y Normalización en México? 4. Menciona el organismo encargado de coordinar las actividades de normalización en México. 5. Escribe los tipos de Metrología. 6. Define el concepto de trazabilidad. 7. Realiza las siguientes operaciones: a)

3 7 + 16 64

b)

9 7 − 32 16

8. Transforma las siguientes fracciones decimales en fracciones comunes: a)

0,325

b)

0,121212...

c)

1,16333...

9. Resuelve el triángulo rectángulo cuya hipotenusa mide 7,5 unidades y un ángulo mide 31o. 10. Realiza las siguientes conversiones: a) 27,7 in en pies b) 3700,52 μm en milímetros c) 172,5 yd en metros d) 73 F en grados Celsius

40

Metrología UNIDAD 2 MANEJO DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Introducción El aprendizaje del uso de instrumentos de medición es muy importante en cualquier proceso de producción o en la realización de algún servicio. Es indispensable conocer el principio de operación de algún instrumento de medición, ya que en algunos casos, si se tiene cuidado, la medición es muy sencilla, ya que sólo se comparan dos parámetros, sin embargo algunos instrumentos no miden directamente la magnitud deseada, y si no se conoce el principio de operación, entonces se pueden realizar mediciones inexactas, o aún peor, no se podría utilizar el instrumento. Por ejemplo, si no conocemos que un amperímetro de gancho funciona en base a la Ley de Faraday, entonces podríamos intentar medir una corriente introduciendo ambos cables en el gancho y siempre tener una lectura de 0 A, aún cuando circule una corriente por los alambres. En este capítulo se discutirán los principios de operación de diversos instrumentos y se señalarán los cuidados que debe tenerse con ellos. Los instrumentos que se discutirán en este capítulo se utilizan en ámbitos muy diversos, tales como la industria metal-mecánica, la industria de telecomunicaciones, la industria petroquímica, la industria siderúrgica, la industria farmacéutica, la industria de alimentos, etc. Por lo tanto, el conocimiento que adquirirás en esta unidad es indispensable para un profesional del área de mantenimiento o de control de calidad que trabaje en cualquier sector industrial que mencionamos en el párrafo anterior. 2.1. Instrumentos de medición dimensional. La metrología dimensional. Estudia las técnicas de medición que determinan correctamente las magnitudes lineales, angulares y acabado superficial. El Vocabulario de Términos Fundamentales y Generales (NMX-Z-055: 1996 IMNC), define el proceso de medición como un: Conjunto de operaciones que tienen por objeto determinar el valor de una magnitud. •

Definición

Definimos un instrumento de medición de la siguiente manera: Dispositivo destinado para hacer mediciones, sólo o asociado a uno o varios dispositivos anexos. Serie de elementos interrelacionados que constituye la trayectoria de la señal medida, que inicia con un sensor (entrada) y termina en un indicador (salida). Este último dará el resultado de la medición o de un valor relacionado directamente con la variable de entrada, a través de una escala u otro indicador numérico de salida. Un instrumento de 41

Metrología medición es un equipo, aparato o máquina que realiza la lectura de una propiedad (o característica) de una variable aleatoria, la procesa, la traduce y la hace entendible al analista encargado de la medición. La mayoría de los instrumentos básicos de medición lineal o de propósitos generales están representados por la regla de acero, Vernier, o el micrómetro, o combinaciones de ellos. Las reglas de acero son usadas efectivamente como mecanismos de medición lineal, lo cual significa que para medir una dimensión, es alineada con las graduaciones de la escala de la cual la longitud es leída directamente. Las reglas de acero se pueden encontrar en reglas de profundidad para medir profundidades de ranuras, hoyos, etc. También son incorporadas a los calibradores deslizables, donde son adaptados para operaciones de medición final, los cuales son a menudo más precisos y fáciles de aplicar que una línea de medición. •

Reglas para efectuar mediciones.

1. Al hacer mediciones, es preciso emplear el instrumento que corresponde a la precisión exigida. 2. Mirar siempre verticalmente sobre el lugar de lectura. 3. Limpiar las superficies del material y el instrumento de medición antes de las mediciones. 4. Desbarbar las piezas de trabajo antes de la medición. 5. En mediciones de alta exactitud, prestar atención a la temperatura de referencia. 6. En algunos instrumentos de medición, prestar atención para que la presión de medición sea exacta. No se debe emplear jamás la fuerza. 7. No hacer mediciones en piezas de trabajo en movimiento o en máquinas en marcha. 8. Verificar instrumentos de medición regulables repetidas veces respecto a su posición a cero. 9. Verificar en determinados intervalos los instrumentos de medición en cuanto a su precisión de medición. •

Clasificación

Los instrumentos y aparatos de medición en metrología dimensional se pueden clasificar de la siguiente manera:

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Metrología   Metro    Con trazos o divisiones Regla Graduada   Calibradores y medidores de altura con escala Vernier       Micrómetros  Medida directa Con tornillo micrométrico  Cabezas micrométricas     Bloques patrón    Con dimensión fija Calibradores de espesores (lainas)    Calibradores límite (pasa no pasa)     Comparador es mecánicos     Comparadores ópticos      Comparadores neumáticos Lineal Comparativa    Comparadores electromecánicos   Máquina de medición de redondez      Medidores de espesor de recubrimiento    Medida indirecta Trigonometría Esferas o cilindros    Máquinas de medición por coordenadas      Niveles    Relativa Reglas ópticas   Rugosímetros             

  Transportador simple     Con trazos o divisionesGoniómetro Escuadra de combinación    Medida directa    Niveles     Con dimensión fija Reglas ópticas   Angular Rugosímetros      Falsas escuadras   Regla de senos    Medida indirecta Trigonométrica  Mesa de senos   Máquina de medición por coordenadas   

2. Manejo de los instrumentos de medición dimensional. Al comenzar el estudio de las prácticas en el trabajo con máquinas herramienta, una de las primeras preocupaciones será asimilar el uso, cuidado y aplicaciones de los instrumentos comunes de medición que encontrará en el Laboratorio de Manufacturas. 43

Metrología Muchos instrumentos de medición han experimentado una modernización, aún cuando la función de estas herramientas es básicamente la misma, muchas se han rediseñado y dotado de dispositivos de exhibición digitales, mecánicos o electrónicos. Estas características hacen que el instrumento sea más fácil de leer y mejoran su exactitud. •

Vernier

Fue inventado en 1631 por Pierre Vernier para interpretar con mayor aproximación las fracciones decimales (de longitudes o ángulos) gracias a subdivisiones lineales o fracciones de arco. Al vernier suele llamársele también “nonio” en honor del científico Portugués Pedro Nunes (1492?-1577), quien inventó un sistema de lecturas a base de círculos concéntricos que dividen la circunferencia en n partes iguales, es decir, 89, 88, 87, etc., con las que lograba mayor aproximación en las lecturas de ángulos; a ambos dispositivos, suele llamárseles indistintamente “nonio” o “vernier”, a pesar de ser tan distintos entre sí.

Figura 2.1 Partes de un calibrador con Vernier El principio de Vernier puede aplicarse para aumentar la aproximación y consta de una escala principal y una escala de vernier. El calibrador de vernier de “modelo de mauser o pie de rey” tiene capacidad para tomar medidas interiores, exteriores y de profundidad. Se conocerán los calibradores con aproximación de 0,05 mm, 0,02 mm, 1/128 pulg. Y 0,001 pulg. El calibrador tiene generalmente tres secciones de medición.

Figura 2.2. Secciones de medición de un calibrador con Vernier.

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Metrología Elementos de medición de los calibradores: A = para medir dimensiones exteriores. B = para medir dimensiones interiores. C = para medir profundidad. Las siguientes longitudes de calibradores se usan ampliamente:  Sistema métrico 150 mm, 200 mm, 300 mm  Sistema inglés 6 pulg., 8 pulg., 12 pulg.

Figura 2.3 Calibrador con Vernier con botón. Este calibrador está equipado con un Botón en lugar del tradicional tornillo de freno. Si el botón se oprime, el cursor puede deslizarse a lo largo de la regleta, cuando el botón se suelta, el cursor se detiene automáticamente.

Figura 2.4 Calibrador con Vernier con tornillo de ajuste Este tipo está equipado con un tornillo de ajuste el cual se utiliza para mover el cursor lentamente cuando se usa como un calibrador fijo, este tipo permite el ajuste fácil del cursor.

Figura 2.5 Calibrador con Vernier de carátula Este tipo llamado calibrador de carátula está equipado con un indicador de carátula en lugar de un nonio para permitir la lectura fácil de la escala. 45

Metrología Precauciones al medir 1: Verifique que el calibrador no esté dañado. Si el calibrador es manejado frecuentemente con rudeza, se inutilizará antes de completar su vida normal de servicio, para mantenerlo siempre útil no deje de tomar las precauciones siguientes: 1) Antes de efectuar las mediciones, limpie de polvo y suciedad las superficies de medición, cursor y regleta, particularmente remueva el polvo de las superficies deslizantes; ya que el polvo puede obstruir a menudo el deslizamiento del cursor. 2) Cerciórese que las superficies de medición de las quijadas y los picos estén libres de dobleces o despostilladuras. 3) Verifique que las superficies deslizantes de la regleta estén libres de daño. Para obtener mediciones correctas, verifique la herramienta acomodándola como sigue: •

Esté seguro de que cuando el cursor está completamente cerrado, el cero de la escala de la regleta y del nonio estén alineados uno con otro, también verifique las superficies de medición de las quijadas y los picos como sigue:

•

Cuando no pasa luz entre las superficies de contacto de las quijadas, el contacto es correcto.

•

El contacto de los picos es mejor cuando una banda uniforme de luz pasa a través de las superficies de medición.

2) Coloque el calibrador hacia arriba sobre una superficie plana, con el medidor de profundidad hacia abajo, empuje el medidor de profundidad, si las graduaciones cero en la regleta y la escala del nonio están desalineados, el medidor de profundidad está anormal.

46

Metrología 3) Verifique que el cursor se mueva suavemente pero no holgadamente a lo largo de la regleta. 2: Ajuste el calibrador correctamente sobre el objeto que está midiendo. Coloque el objeto sobre el banco y mídalo, sostenga el calibrador en ambas manos, ponga el dedo pulgar sobre el botón y empuje las quijadas del nonio contra el objeto a medir, aplique sólo una fuerza suave.

Método correcto de manejar los calibradores

Medición de exteriores. Coloque el objeto tan profundo como sea posible entre las quijadas.

Si la medición se hace al extremo de las quijadas, el cursor podría inclinarse resultando una medición inexacta.

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Metrología Sostenga el objeto a escuadra con las quijadas como se indica en (A) y (B), de otra forma, no se obtendrá una medición correcta.

Medición de interiores. En esta medición es posible cometer errores a menos que se lleve a cabo, muy cuidadosamente, introduzca los picos totalmente dentro del objeto que se va a medir, asegurando un contacto adecuado con las superficies de medición, y tome la lectura.

Al medir el diámetro interior de un objeto, tome el valor máximo (A-3); al medir el ancho de una ranura tome el valor mínimo (B-3).

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Metrología Es una buena práctica medir en ambas direcciones a-a y b-b en A-3 para asegurar una correcta medición. Medición de agujeros pequeños. La medición de pequeños diámetros interiores es limitada, estamos expuestos a confundir el valor aparente “d” con el valor real “D”.

El mayor valor “B” en la figura o el menor valor “D” es el error. Medición de profundidad. En la medición de la profundidad, no permita que el extremo del instrumento se incline, no deje de mantenerlo nivelado.

La esquina del objeto es más o menos redonda, por lo tanto, gire el resaque de la barra de profundidad hacia la esquina.

Ejemplos de métodos de medición, correctos e incorrectos.

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Metrología Punto 3: Guarde adecuadamente el calibrador después de usarlo. Cuando se usa el calibrador, la superficie de la escala se toca a menudo con la mano, por lo tanto después de usarlo, limpie la herramienta frotándola con un trapo, y aplique aceite a las superficies deslizantes de medición antes de poner el instrumento en su estuche. Tenga cuidado, no coloque ningún peso encima del calibrador, podría torcerse la regleta.

No golpee los extremos de las quijadas y picos, ni los utilice como martillo.

No golpee los extremos de las quijadas. No utilice el calibrador para medir algún objeto en movimiento.

No mida un objeto mientras esté en movimiento. Como leer el calibrador (sistema métrico): Ejemplo 1. (métrico) 50

Metrología

Paso 1. El punto cero de la escala del nonio está localizado entre 43 mm. y 44 mm. Sobre la escala de la regleta. En este caso lea 43 mm primero 43 mm. Paso 2. Sobre la escala del nonio, localice la graduación en la línea con la graduación de la escala de la regleta. Esta graduación es de “6” 0,6 mm. Paso dinal 43 + 0,6 = 43,6 mm Ejemplo 2. (métrico)

Ejemplo 3. (métrico)

51

Metrología Ejemplo4. (métrico)

Como leer el calibrador (Sistema Inglés): Ejemplo 1. (inglés)

Paso I. El punto cero de la escala del nonio está localizado entre 2 4/16 pulg., y 2 5/16 pulg., sobre la escala de la regleta. En este caso, lea 2 4/16 pulg., primero 2 4/16 pulg. Paso II. Sobre la escala del nonio, localice la graduación, la cual está en línea con una graduación sobre la escala de la regleta. Esta graduación es “6”, este 6 sobre el nonio indica 6/128 pulg.------- 128/ pulg. Paso Final. Paso I + Paso II 4 6 4 • 128 + 6 • 16 512 + 96 + =2 =2 2048 16 128 16 • 128 608 19 • 32 =2 =2 2048 64 • 32 19 =2 64 2

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Metrología La lectura correcta es 2 19/64 pulg.

Paso I + Paso II 4  3/16 + 4/128 = 4  24/128 + 4/128 = 4  28/128                                                      = 4  7/32 La lectura correcta es 4  7/32 pulg.

Paso I Leemos 2,400 pulg, primero. Paso II La graduación 18 sobre la escala del nonio está en línea con una graduación de la escala de la regleta, esta lectura es 18 pulg./1000 ó 0.018 pulg. Paso I + Paso II = 2,400 + 0,018 = 2,418 pulg. La lectura correcta es 2,418 pulg.

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Metrología Paso I + Paso II = 4,450 + 0,016 = 4,466 pulg. La lectura correcta es 4,466 pulg. El calibrador es un instrumento de precisión usado para medir pequeñas longitudes (centésimas de milímetros), de diámetros externos, internos y profundidades, en una sola operación. La escala de la regla del calibrador de la carátula está graduada solo en incrementos de 0.10 pulg., la carátula está graduada en 100 o en 200 divisiones. En la carátula de 100 divisiones, la aguja da una revolución completa por cada movimiento de 0.10 pulg. de la mordaza deslizante a lo largo de la regla, una aproximación máxima de 0.001 pulg. Como este calibrador es de lectura directa, se elimina la necesidad de determinar la línea coincidente de una escala de vernier, facilitando la lectura de los instrumentos.

•

Micrómetro o Palmer.

Es el instrumento para medidas de precisión que más se emplea en la industria, su uso correcto es esencial para todo aquel que interviene en la fabricación o inspección de partes maquinadas. Los tipos comunes de instrumentos micrométricos o micrómetros son de exteriores, de interiores y de profundidades.

El dispositivo mide el desplazamiento del husillo cuando éste se mueve mediante el giro de un tornillo, lo que convierte el movimiento giratorio del tambor en movimiento lineal del husillo. Un pequeño desplazamiento lineal del husillo corresponde a un significativo desplazamiento angular del tambor. Cuando el husillo se desplaza una distancia igual al paso de los hilos del tornillo, las graduaciones sobre el tambor marcan una vuelta completa. 54

Metrología

El rango de medición del micrómetro estándar está limitado a 25 milímetros (en el sistema métrico), o a una pulgada (en el sistema inglés). Para un mayor rango de mediciones, se necesitan micrómetros de diferentes rangos de medición. Con un micrómetro equipado con un yunque intercambiable es posible medir un amplio rango de longitudes, éste tipo de micrómetros cubre cuatro a seis veces el rango de medición del micrómetro estándar, pero es ligeramente inferior en precisión al micrómetro estándar.

Micrómetro de tipo yunque intercambiable.

Los micrómetros están graduados en centésimas (0,01) de milímetros (sistema métrico) o milésimas (0,001) de pulgada (sistema inglés). Un micrómetro equipado con un nonio permite lecturas de 0,001 mm, o de 0,0001 pulgadas. Para estabilizar la presión de medición que debe aplicarse al objeto a medirse, el micrómetro está equipado generalmente con un freno de trinquete. Sin embargo, cuando se usa por un periodo de tiempo largo, el freno del trinquete podría deteriorarse al aplicar una presión de medición determinada, resultando en una medición inexacta, el mayor problema en este tipo de micrómetro, es que la presión de medición puede cambiar con la velocidad de giro de la perilla del trinquete. Un micrómetro del tipo con freno de fricción, el cual tiene en el interior del manguito un aditamento para una presión constante, experimenta menos cambios en la presión de medición con el uso individual y es más apropiado para mediciones precisas.

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Metrología

El micrómetro usado por un largo periodo de tiempo o inapropiadamente, podría experimentar alguna desviación del punto cero; para corregir esto, los micrómetros traen en su estuche un patrón y una llave.

Algunas veces al usar el micrómetro es conveniente usar una base, cuando el cuerpo del micrómetro se sostiene por un largo periodo continuo, el calor de la mano puede dilatarlo lo suficiente para causar una variación en la lectura.

Base para micrómetro   Tipos de micrómetros Micrómetro para interiores. Este micrómetro utiliza un sistema de contacto de medición de tres puntos para determinar el tamaño de un agujero mandrilado o taladro. El instrumento es de lectura directa y tiene mejores probabilidades de dar una lectura confiable por su contacto de tres puntas para la medición, que hace que se centre el instrumento. Algunos de los factores importantes que se deben tener en cuenta en el cuidado del micrómetro son: se debe limpiar y aceitar después de usarlo; debe tenerse cuidado de no dejarlo caer, hasta una caída de una distancia corta puede desalinearlo; debe mantenerse retirado de las rebabas de una máquina-herramienta; debe colocarse sobre un tablero de herramientas limpio o sobre una 56

Metrología toalla de taller limpia, cerca de donde se necesita; antes de usarlo limpie las caras de medición; cuando se guarde debe comprobarse que las caras de las puntas no se toquen; los micrómetros para interiores tienen las mismas graduaciones que los de exteriores, con ellos se aproxima a la milésima de pulgada y tienen capacidad de medición que varía de 1,5 a 20 pulgadas o más. El micrómetro para interiores tipo tabular consta de la cabeza del micrómetro con puntas fijas templadas desmontables y varias barritas tabulares para medición con puntas de contacto templadas. Las longitudes de estas barritas difieren en incrementos de 0,5 pulg., para corresponder a la capacidad de la medición de la cabeza del micrómetro. El juego lleva un maneral para sostener el instrumento en lugares en que resulta difícil sostenerlo directamente. Micrómetros para aplicación especial: Micrómetros para tubo: este tipo de micrómetro esta diseñado para medir el espesor de la pared de partes tubulares, tales como cilindros o collares. Existen tres tipos los cuales son: 1.- Tope fijo esférico 2.- Tope fijo y del husillo esféricos 3.- Tope flujo tipo cilíndrico Micrómetro para ranuras: En este micrómetro ambos topes tiene un pequeño diámetro con el objeto de medir pernos ranurados, cuñeros, ranuras, etc., el tamaño estándar de la porción de medición es de 3 mm de diámetro y 10 mm de longitud. Micrómetro de puntas: Estos micrómetros tienen ambos topes en forma de punta. Se utiliza para medir el espesor del alma de brocas, el diámetro de raíz de roscas externas, ranuras pequeñas y otras porciones difíciles de alcanzar. El ángulo de los puntos puede ser de 15, 30, 45, o 60 grados. Las puntas de medición normalmente tiene un radio de curvatura de 0,3 mm, ya que ambas puntas pueden no tocarse; un bloque patrón se utiliza para ajustar el punto cero. Con el objeto de `proteger las puntas, la fuerza de medición en el trinquete es menor que la del micrómetro estándar de exteriores. Micrómetro para ceja de latas: Este micrómetro esta especialmente diseñado para medir los anchos y alturas de cejas de latas. Micrómetro indicativo: Este micrómetro cuenta con un indicador de carátula. El tope del arco `puede moverse una pequeña distancia en dirección axial en su desplazamiento lo muestra el indicador. Este mecanismo permite aplicar una fuerza de medición uniforme a las piezas. Micrómetro de exteriores con husillo no giratorio: En los micrómetros normales el husillo gira con el tambor cuando éste se desplaza en dirección axial. A su vez, en este micrómetro el husillo no gira cuando es desplazado. Debido a que el husillo no giratorio no produce torsión radial sobre las caras de medición, el desgaste de las mismas se reduce notablemente. Este micrómetro es adecuado para medir superficies con recubrimiento, piezas frágiles y características de partes que requieren una posición angular específica de la cara de medición del husillo. Micrómetro con doble tambor: Una de las características del tipo no giratorio con doble tambor, es que la superficie graduada del tambor está al ras con la superficie del cilindro en que están grabadas la línea índice y la escala vernier, lo cual permite lecturas libres de error de paralaje. Micrómetro tipo discos para espesor de papel: Este tipo es similar al micrómetro tipo discos de diente de engrane, pero utiliza un husillo no giratorio con el objeto de eliminar torsión sobre la superficie de la pieza, lo que hace adecuado para medir papel o `piezas delgadas. 57

Metrología Micrómetro de cuchillas: En este tipo los topes son cuchillas, por lo que ranuras angostas, cuñeros, y otras porciones difíciles de alcanzar pueden medirse. Micrómetros para espesor de láminas: Este tipo de micrómetros tiene un arco alargado capaz de medir espesores de láminas en porciones alejadas del borde de éstas. La profundidad del arco va de 100 a 600 mm. Micrómetro para dientes de engranaje: El engrane es uno de los elementos más importantes de una máquina, por lo que su medición con frecuencia requerida para asegurar las características deseadas de una máquina. Para que los engranes ensamblados funcionen correctamente, sus dientes debén engranar adecuadamente entre ellos sin cambiar su distancia entre los dos centros de rotación. Micrómetros para dimensiones mayores a 25 mm: Para medir dimensiones exteriores mayores a 25 mm (1 pulg) se tienen 2 opciones. La primera consiste en utilizar una serie de micrómetros para mediciones de 25 a 50 mm (de 1 a 2 pulg), 50 a 75 mm (2 a 3 pulg), etc. La segunda consiste en utilizar un micrómetro con rango de medición de 25 mm y arco grande con tope de medición intercambiable. Precauciones al medir. 1: Verificar la limpieza del micrómetro. El mantenimiento adecuado del micrómetro es esencial, antes de guardarlo, no deje de limpiar las superficies del husillo, yunque, y otras partes, removiendo el sudor, polvo y manchas de aceite, después aplique aceite anticorrosivo.

No olvide limpiar perfectamente las caras de medición del husillo y el yunque, o no obtendrá mediciones exactas. Para efectuar las mediciones correctamente, es esencial que el objeto a medir se limpie perfectamente del aceite y polvo acumulados. 2: Utilice el micrómetro adecuadamente. Para el manejo adecuado del micrómetro, sostenga la mitad del cuerpo en la mano izquierda, y el manguito o trinquete en la mano derecha, mantenga la mano fuera del borde del yunque.

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Metrología

Método correcto para sujetar el micrómetro con las manos Algunos cuerpos de los micrómetros están provistos con aisladores de calor, si se usa un cuerpo de éstos, sosténgalo por la parte aislada, y el calor de la mano no afectará al instrumento.  El trinquete es para asegurar que se aplica una presión de medición apropiada al objeto que se está midiendo mientras se toma la lectura. Inmediatamente antes de que el husillo entre en contacto con el objeto, gire el trinquete suavemente, con los dedos, cuando el husillo haya tocado el objeto de tres a cuatro vueltas ligeras al trinquete a una velocidad uniforme (el husillo puede dar 1.5 o 2 vueltas libres). Hecho esto, se ha aplicado una presión adecuada al objeto que se está midiendo.

Si acerca la superficie del objeto directamente girando el manguito, el husillo podría aplicar una presión excesiva de medición al objeto y será errónea la medición.

Cuando la medición esté completa, despegue el husillo de la superficie del objeto girando el trinquete en dirección opuesta.

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Metrología Como usar el micrómetro del tipo de freno de fricción Antes de que el husillo encuentre el objeto que se va a medir, gire suavemente y ponga el husillo en contacto con el objeto. Después del contacto gire tres o cuatro vueltas el manguito. Hecho esto, se ha aplicado una presión de medición adecuada al objeto que se está midiendo. 3: Verifique que el cero esté alineado. Cuando el micrómetro se usa constantemente o de una manera inadecuada, el punto cero del micrómetro puede desalinearse. Si el instrumento sufre una caída o algún golpe fuerte, el paralelismo y la lisura del husillo y el yunque, algunas veces se desajustan y el movimiento del husillo es anormal.

Paralelismo de las superficies de medición 1) El husillo debe moverse libremente. 2) El paralelismo y la lisura de las superficies de medición en el yunque deben ser correctas. 3) El punto cero debe estar en posición (si está desalineado siga las instrucciones para corregir el punto cero).

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Metrología 4: Asegure el contacto correcto entre el micrómetro y el objeto. Es esencial poner el micrómetro en contacto correcto con el objeto a medir. Use el micrómetro en ángulo recto (90º) con las superficies a medir.

Métodos de medición Cuando se mide un objeto cilíndrico, es una buena práctica tomar la medición dos veces; cuando se mide por segunda vez, gire el objeto 90º. No levante el micrómetro con el objeto sostenido entre el husillo y el yunque.

No levante un objeto con el micrómetro No gire el manguito hasta el límite de su rotación, no gire el cuerpo mientras sostiene el manguito.

Como corregir el punto cero Método I) Cuando la graduación cero está desalineada. 1) Fije el husillo con el seguro (deje el husillo separado del yunque). 2) Inserte la llave con que viene equipado el micrómetro en el agujero de la escala graduada. 3) Gire la escala graduada para prolongarla y corregir la desviación de la graduación. 4) Verifique la posición cero otra vez, para ver si está en su posición. 61

Metrología

Método II) Cuando la graduación cero está desalineada dos graduaciones o más. 1) Fije el husillo con el seguro (deje el husillo separado del yunque) 2) Inserte la llave con que viene equipado el micrómetro en el agujero del trinquete, sostenga el manguito, gírelo del trinquete, sostenga el manguito, gírelo en sentido contrario a las manecillas del reloj.

3) Empuje el manguito hacia afuera (hacia el trinquete), y se moverá libremente, relocalice el manguito a la longitud necesaria para corregir el punto cero.

4) Atornille toda la rosca del trinquete y apriételo con la llave. 5) Verifique el punto cero otra vez, y si la graduación cero está desalineada, corríjala de acuerdo al método I. Como leer el micrómetro (sistema métrico). I. Conocimientos requeridos para la lectura. 62

Metrología La línea de revolución sobre la escala, está graduada en milímetros, cada pequeña marca abajo de la línea de revolución indica el intermedio 0.5 mm entre cada graduación sobre la línea.

El micrómetro mostrado es para el rango de medición de 25 mm a 50 mm y su grado más bajo de graduación representa 25 mm.

Un micrómetro con rango de medición de 0 a 25 mm, tiene como su graduación más baja el 0. Una vuelta del manguito representa un movimiento de exactamente .5 mm a lo largo de la escala, la periferia del extremo cónico del manguito, está graduada en cincuentavos (1/50); con un movimiento del manguito a lo largo de la escala, una graduación equivale a .01 mm. II. Ejemplos de lecturas. Ejemplo 1)

Paso I. Lea la escala (I) sobre la línea de revolución en la escala 56mm Paso II. Vea si el extremo del manguito está sobre la marca .5 mm, si está sobre .5mm, agregue .5 mm (A) Si está abajo 0.5 mm, no agregue nada. (B) 63

Metrología

Paso III. Tome la lectura de la escala sobre el manguito, la cual coincide con la línea de revolución de la escala .47 mm Paso Final El total de las lecturas en los pasos I, II, III, es la lectura correcta.   Ejemplo 2) Lea las escalas anteriormente mostradas Paso I.    37. Paso II.    .5 Paso III    .11 Paso IV.   .008      (visualmente)              37.618 mm Ejemplo 3) Lea las escalas Paso I.    7. Paso II.   . Paso III.  .21                7.21 mm Ejemplo 4) El caso mostrado es para un micrómetro con un nonio. La lectura es la siguiente. Paso I.      8. Paso II.     .5 Paso III.    .29 Paso IV.   .003               8.793 mm

Ejemplo 4. (métrico) Ejemplo 5) En un micrómetro tipo europeo, la escala del manguito está graduada en centésimas (1/100) para permitir la lectura directa 0.01 mm. 64

Metrología La lectura correcta es 5.93 mm

Ejemplo 5. (métrico) Como leer el micrómetro (sistema inglés) El que se muestra es un micrómetro para medidas entre el rango de 2 a 3 pulgadas.

inglés La línea de revolución sobre la escala está graduada en .025 de pulgada. En consecuencia, los dígitos 1, 2 y 3 sobre la línea de revolución representan .100, .200 y .300 pulgadas respectivamente. Una vuelta del manguito representa un movimiento exactamente de 0.25 pulg., a lo largo de la escala, el extremo cónico del manguito está graduado en veinticincoavos (1/25); por lo tanto una graduación del movimiento del manguito a lo largo de la escala graduada equivale a .001 pulg. Ejemplo 1)

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Metrología Pasos I y II Lea la línea de revolución de la escala .2 + .05 pulg. Paso III Lea la graduación sobre el manguito que coincida con la línea de revolución de la escala .021 Paso final La lectura correcta es el total de las lecturas en los pasos I, II y III. .2 + .05 + .021 = .271 pulg. Ejemplo 2) Leamos el micrómetro. Paso I.       2.3 Paso II.      .05 Paso III.    .011 Paso IV.     .0009      (visualmente)                  2.3619 pulg. Ejemplo 3) Paso I.      4.1 Paso II.      Paso III.    .011                 4.111 pulg.

Ejemplo 4) En un micrómetro provisto con un nonio, la lectura correcta es la siguiente. Paso I           .100 Paso II          .025 Paso III.         .018 Paso IV.        .0004  (con ayuda del nonio)                      .1434 pulg. 66

Metrología

Ejemplo 4. (inglés) •

Esferómetro.

Utiliza un tornillo micrométrico y se emplea para medir espesores de láminas y chapas y principalmente para medir radios esféricos. Este aparato fue creado por el Óptico Cauchoix para medir la curvatura que debían tener las lentes. Consta (Fig.1.15) de un trípode, cuyas patas se encuentran a la misma distancia unas de otras formando entre sí los vértices un triángulo equilátero y en cuyo centro se halla un orificio roscado de paso 1mm en el cual se introduce un tornillo el cual tiene solidario un disco metálico con 100 divisiones. En el trípode se encuentra montada fija una regla milimetrada en forma vertical que hace contacto tangencial con el disco, con cero en el centro de una escala doble. Cuando las tres patas fijas y la móvil (central del tornillo) se hallan en el mismo plano, el cero de la regla y del disco coinciden. Cuando el tornillo da una vuelta completa, el disco se desplaza una división de 1mm de la regla, siendo la apreciación del aparato de:

A=

menor división de la regla 1m = = 0,01 m número de divisiones del disco 100

Ejemplos de utilización:   1) Medición del espesor de una pieza: se verifica el cero del aparato colocando el esferómetro sobre una superficie perfectamente plana (mármol) hasta que las puntas estén en el mismo plano, coincidiendo por lo tanto los ceros de la regla y del disco. Se desenrosca el tornillo, se coloca la pieza cuyo espesor se desea medir sobre el mármol debajo del tornillo y se vuelve a enroscar éste hasta que la punta haga contacto con la pieza. Una vez logrado ello se leen los milímetros en la regla y, en el disco, la división que coincide con la regla, da los centésimos de milímetros.  

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Metrología 2) Medición del radio de una esfera: Se conoce la distancia “a” entre las patas del trípode que es iguales entre las tres y la distancia d de éstas al tornillo central. Primeramente se coloca en cero el instrumento igual que para medir espesores, corrigiendo según haya diferencia en más o en menos. Se apoya el esferómetro sobre la esfera cuidando que hagan contacto las tres patas del trípode, desenroscando previamente el tornillo (Fig.1.16), hasta que permita apoyar el trípode, procediendo luego a enroscarlo hasta que haga contacto con la esfera. Se lee en la regla y disco la medida h y se aplica la fórmula:

R=

a 2 + 4h 2 8h

(1.14)

o también, aplicando la propiedad distributiva se tendrá:

R=

 

a2 h + 8h 2

(1.15)

Existen esferómetros de mayor precisión con paso del tornillo de 1/2mm y disco graduado dividido en 500 partes, siendo para este aparato la apreciación de:

A=

•

menor división de la regla 0,5 m = = 0,001 m número de divisiones del disco 500

Calibrador de altura

El calibrador de altura es un dispositivo para medir la altura de piezas o las diferencias de altura entre planos a diferentes niveles.

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Metrología

El calibrador de altura también se utiliza como herramienta de trazo, para lo cual se incluye un buril. El medidor de altura, creado por medio de la combinación de una escala principal con un vernier para realizar mediciones rápidas y exactas, cuenta con un solo palpador y la superficie sobre la cual descansa, actúa como plano de referencia para realizar las mediciones. El calibrador de altura tiene una exactitud de 0,001 de pulgada, o su equivalente en cm. se leen de la misma manera que los calibradores de vernier y están equipados con escalas vernier de 25 o 50 divisiones y con una punta de buril que puede hacer marcas sobre metal. Precauciones cuando use el medidor de altura: 1. Seleccione el medidor de altura que mejor se ajuste a su aplicación. 2. Asegúrese de que el tipo, rango de medición, graduación u otras especificaciones. Son apropiadas para la aplicación deseada. 3. No aplique fuerza excesiva al medidor de altura. 4. Tenga cuidado de no dañar la punta para trazar. 5. Elimine cualquier suciedad o polvo antes de usar su medidor. 6. Verifique el movimiento del cursor. No debe sentirse suelto o tener juego. Corrija 7. Cualquier problema que encuentre, ajustando el tornillo de presión y el de fijación. El medidor incorpora el mecanismo de amplificación del indicador de carátula. Las lecturas se toman sumando las lecturas de la graduación de la escala principal y la de la carátula, la cual indica la fracción de la escala principal con una aguja, lo que minimiza errores de paralaje y permite mediciones rápidas y exactas.

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Metrología

Medidor de Altura con Caratula y Contador El mecanismo es el mismo que el medidor de altura con carátula. El mecanismo de amplificación del indicador consiste del piñón, engrane amplificador y del piñón central. El contador indica lecturas de 1mm. y las fracciones las indica la carátula; debido a que hay lecturas en 2 direcciones, podrían ser confusas cuando el cursor se mueva hacia arriba o hacia abajo cerca del punto 0. Medidor de Altura Electrodigitales Se clasifican en 2 tipos: uno de estos utiliza un codificador rotatorio para detectar el desplazamiento y tiene doble columna. El otro utiliza el detector de desplazamiento tipo capacitancia y cuenta con una sola columna de sección rectangular. El mecanismo de detección de desplazamiento es un codificador rotatorio que convierte el desplazamiento lineal del cursor en un movimiento rotatorio de disco ranurado. El sistema de este medidor este basado en una escala de circuitos integrados de gran precisión. •

Calibres de tolerancia.

Existen comparadores fijos llamados calibres de tolerancias o fijos, también denominados diferenciales, para el control de piezas que se fabrican en serie y que deben guardar una cierta medida dentro de las tolerancias permitidas. Estas piezas son construidas para ensamblar con otras o para reemplazar a las que se hallan gastadas, es decir que deben ser intercambiables en un 100%. Estos calibres son del tipo de “pasa” y “no pasa”, es decir que permiten pasar, o que no pasen, piezas que tienen una cierta medida, dentro de las tolerancias permitidas. Algunos de estos calibres son los que a continuación se detallan: Calibres para Pernos o Ejes: el eje debe pasar en una de las mandíbulas y no pasar en la otra

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Metrología (Fig.1.25a).

Calibres para Agujeros Cilíndricos: el calibre debe poder penetrar con uno de sus pernos calibrados en el agujero, y el otro no debe poder penetrar el mismo (Fig.1.25b). Calibres para Espesores de Superficies Planas: para controlar superficies planas de igual forma que en los casos anteriores (Fig.1.26a).

Calibres para Interiores de Superficies Planas: controlan el interior o espacio entre dos superficies planas (Fig.1.26b). Calibres para Agujeros Cónicos y Tronco Cónicos: controlan interiores o agujeros cónicos (Fig.1.27-a) o tronco cónicos (Fig.1.27b).

Calibres para Roscas: son similares a los calibres para ejes y para agujeros cilíndricos, nada más que vienen con roscas pasa y no pasa, para cada tipo de rosca y para roscas interiores (Fig.1.28a) y para roscas exteriores (Fig.1.28b).

Estos calibres son construidos de material indeformable y con resistencia al desgaste, como son los aceros especiales, con sus partes, expuestas al rozamiento con las piezas a medir, cementadas a efectos de evitar su pronto desgaste. Tienen gran rigidez y las zonas de contacto son trabajadas y pulidas con gran precisión.   Calibres para Radios: son calibres para verificar perfiles. Son de acero laminado duro, inoxidable y satinado contra óxidos. Están construidos de diferentes radios, tanto para superficies circulares internas (Fig.1.29a) como externas (Fig.1.29b). 71

Metrología

Sondas o Calibres de Espesores (Lainas): consisten en delgadas hojas de acero (Fig.1.30) que varían de espesor y sirven para medir ranuras estrechas, entalladuras o espacios entre superficies que no están en contacto pero sí muy cercanas. Están construidas generalmente de espesores de 5 a 50 centésimas de milímetros, o en pulgadas desde 0,002” a 0,025”. Forman un paquete que se despliega según la sonda que se desea utilizar. Cada hoja trae impreso el espesor que posee.

Peines o Calibres para Roscas: consisten en un juego de plantillas (Fig.1.31), denominadas también cuenta hilos, que tienen la forma de las distintas roscas, tanto para interiores como para exteriores. Se construyen para roscas Métricas (Internacional 60º), Whithworth (55º) y S.A.E. En cada plantilla está impreso el valor del paso que corresponde.

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Comparador de carátula

Instrumento de medición en el cual un pequeño movimiento del husillo se amplifica mediante un tren de engranes que mueven en forma angular una aguja indicadora sobre la carátula del dispositivo. La aguja indicadora puede dar tantas vueltas como lo permita el mecanismo de medición del aparato. Este indicador se monta en un soporte diseñado para mediciones específicas como espesores, profundidades, exteriores y variaciones. El comparador no es un instrumento independiente, para hacer mediciones se requiere de un plano de referencia y de un aditamento sujetador del comparador. Existen en el mercado una gran variedad de soportes y accesorios para diferentes comparaciones.

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Metrología

Falsas Escuadras. Las medidas angulares se efectúan utilizando falsas escuadras (universal) formadas por barras de acero inoxidable con formas que las hacen adecuadas para colocarlas en posición conveniente y así poder medir o controlar ángulos y además para transportar medidas a una pieza cualquiera. Existen distintos tipos, siendo algunos los indicados en las figuras (Fig.1.17) y (Fig.1.18).

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Goniómetros

Funcionan como una falsa escuadra pero poseen un “transportador” en el cual se puede leer directamente el ángulo. Uno de los más sencillos está constituido por un semicírculo graduado (transportador) y un brazo móvil que tiene un índice señalador de ángulo (Fig.1.19a). El brazo móvil puede girar teniendo como eje el centro del semicírculo. Están construidos de acero inoxidable. El goniómetro universal está formado por dos reglas (Fig1.19b), una de ellas provista de un limbo graduado y la otra de un vernier circular y de un anillo dentro del cual puede girar el limbo o disco graduado de la primera regla. Poseen un tornillo de fijación que permite inmovilizar las reglas en una posición determinada. Están construidas en acero inoxidable, teniendo la regla que posee el vernier una longitud de 200mm a 300mm generalmente. El limbo está graduado en ambas direcciones y pueden medirse ángulos según convenga a la derecha o izquierda. El limbo está graduado en 360º con lecturas de 0º a 90º, 90º a 0º, 0º a 90º y de 90º a 0º. El vernier tiene 12 divisiones que abarcan 23 grados del limbo, siendo por lo tanto la apreciación:

 

A=

menor división del lim bo 1o 60 ' = = = 5' 12 12 número de divisiones del vernier

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Metrología Por lo que cada división del vernier representa 5 minutos. El vernier presenta generalmente 12 divisiones a la izquierda y 12 divisiones a la derecha.

•

Escuadras.

Son elementos de trazado y comprobación de ángulos; existen distintos tipos según su aplicación: escuadra de 90º: se utiliza para comprobar piezas de formas paralelepípedas (Fig.1.20a); escuadra a 120º: sirve para controlar piezas hexagonales Fig.1.20b); escuadra sombrero: es una escuadra a 90º con una regla del mismo espesor en forma perpendicular a la rama corta (Fig.1.20c); escuadra en “T”: es una escuadra con dos ángulos de 90º a cada lado de una de las reglas (Fig.1.20-d); escuadra “L”: es una escuadra a 90º (Fig.1.20- e); escuadra “L” con regla corrediza: también es una escuadra a 90º que permite desplazarse uno de los lados que forman el ángulo (Fig.1.20-f).

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Transportador Universal.

Es un instrumento (Fig.1.21) compuesto, de gran precisión y adaptabilidad, que sirve para marcar, transportar y obtener ángulos, centros de piezas cilíndricas y alturas o profundidades. Consta de una regla milimetrada en la cual puede insertarse un disco con un limbo graduado en grados que tiene incorporado un vernier, formando un goniómetro que permite en conjunto con la regla efectuar las mediciones de ángulos; posee además una escuadra angular que con la regla permite la obtención de los centros de piezas cilíndricas; por último, cuenta con otra escuadra angular que con la regla permite obtener ángulos de 45º y 90º . Ésta última y el círculo cuentan con niveles para la nivelación del instrumento al efectuar las mediciones. Recibe también el nombre de “Starret”.

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Metrología

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Regla de senos.

A fin de facilitar la medición de ángulos, lo que se hace dificultoso en la técnica en algunos casos realizarlos con transportador o goniómetro, se utiliza la regla o barra de senos que permite medir un ángulo cualquiera utilizando resoluciones trigonométricas con error menor a 5 minutos. Se utiliza este instrumento para la construcción de útiles, herramientas, en trazados, para efectuar ajustes, comprobaciones y otras operaciones que requieran gran exactitud en la medición u obtención de piezas angulares. La regla de senos (Fig.22.1-a), está constituida por una barra de acero (F) de alta resistencia al desgaste, cuidadosamente rectificada, de gran robustez, con agujeros (o) en su cuerpo para hacerla más liviana.

Sus dos extremos están rebajados y en cada uno de ellos se encuentra dispuesto, haciendo contacto con las superficies de los rebajes de la barra, un cilindro (d) de acero especial templado, cementado y rectificado. Por lo tanto la regla posee dos de estos cilindros los cuales tienen igual diámetro y longitud y hacen contacto con las superficies de rebajes por dos de sus generatrices a 90º, estando atornillados. Los centros de los cilindros se encuentran sobre una línea (A-B) exactamente paralela al eje de la barra y a sus superficies superior e inferior. La regla apoya sobre una mesa (m) de máquina herramienta o mármol de ajuste, por medio de la parte inferior de los cilindros siendo la precisión del paralelismo de las superficies de la regla y de la base de apoyo de ±0,001mm. La excentricidad de los cilindros no debe exceder de 0,00075mm por 75

Metrología cada 25,4mm de diámetro (en pulgadas:0,00003" por cada pulgada de diámetro). Para efectuar la medición, la regla viene provista de un sistema de bloques calibrados patrones, denominados blocs, galgas, calzas o escantillones, que se encuentran construidos de material especial de óptima calidad (INVAR), templado, perfectamente rectificados, rasqueteados y lapidadas sus superficies, con dos caras opuestas paralelas y planas, siendo su precisión de fabricación función de sus dimensiones, que van desde 1/10000mm para los de 10mm hasta 1/1000mm para una galga de 100mm. Es tal el grado de perfección y calidad de estas galgas que presentan las características distintivas de adherirse unas a otras cuando se unen por sus caras y no separándose sin un esfuerzo considerable, pudiendo mantenérselas suspendidas como una barra sin que ellas se separen. La medición de un ángulo con la regla de senos se efectúa de la manera siguiente (Fig.1.22-b): se apoya sobre la base (mármol E) uno de los cilindros de la regla y debajo del otro se agregan las galgas de control, hasta una altura H para lograr el ángulo α deseado; teniendo en cuenta que la distancia entre los centros de los cilindros es una constante C, que puede ser de C = 100 mm y C = 200 mm o C = 5" y C = 10", si es H la altura de los bloques y α el ángulo que forman las superficies de la regla con la base, se tendrá:  

sena =

H C

⇒

H = Csena

siendo C la constante del aparato. Ejemplo: se desea obtener un ángulo de 26º16’, por lo tanto se debe obtener con las galgas, para C = 100 mm:

(

)

H = Csena = 100 m × sen 26 016 ' = 4 ,25 m Es decir que con las galgas se debe lograr una altura de 44,25 mm. Las galgas o escantillones se fabrican desde 0,25 mm hasta 100 mm, pudiendo estar en centímetros, milímetros, pulgadas o múltiplos y submúltiplos de éstos. Para ángulos muy pequeños, el valor de H es tan reducido que no se pueden efectuar las combinaciones necesarias. En este caso se pueden colocar los bloques debajo de cada cilindro, lográndose la disposición que se indica en la figura (Fig.1.23):

76

Metrología

a)

H = H1 − H 2

⇒ b) H = Csena

∴ c) sena =

H C

siendo

H a = arcsen  C

Para lograr ángulos de mucha precisión se utilizan mesas de senos que permiten dar a la pieza la inclinación correcta. Estas mesas pueden ser simples apoyos de la regla de senos (platos) o tratarse de dispositivos especiales como mesas de senos circulares articuladas o mesas inclinables hemisféricas. 2.3 Instrumentos de medición eléctrica. La metrología eléctrica estudia las técnicas de medición que determinan correctamente las magnitudes eléctricas y magnéticas. Los instrumentos y sistemas de medición en metrología eléctrica más utilizados en los distintos sectores productivos son:

•

Voltímetro. Mide la diferencia de potencial o voltaje existente en una fuente de fuerza electromotriz (FEM) o en un circuito eléctrico.

•

Amperímetro. Mide la intensidad de circulación de corriente eléctrica por un circuito cerrado, conectado en serie con el circuito.

•

Amperímetro de gancho. Mide la intensidad de circulación de corriente eléctrica por un circuito cerrado mediante inducción electromagnética.

•

Ohmetro. Mide directamente las resistencias eléctricas y también se utiliza para localizar circuitos abiertos o cortocircuitos.

•

Wattmetro. Relaciona la potencia eléctrica en corriente alterna y en continua, mediante un convertidor térmico que mide la variación de temperatura que es proporcional a la potencia disipada en su resistencia de calentamiento.

•

Multímetro. Dispositivo que integra el voltímetro, el amperímetro y el ohmetro.

•

Megger. Instrumento para la medición de resistencia del aislamiento de los arrollamientos de armadura y campo en máquinas rotativas.

•

Osciloscopio. Es un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo.

•

Probador de cableado de red LAN. Controla los cableados estructurados. Permite detectar fácilmente: cables cortados o en cortocircuito, cables corridos de posición, piernas invertidas, etc.

•

Probador de continuidad para cableado telefónico. Permite identificar conductores individuales o cables en mazos, en puntos de cruce de conexión o en extremos alejados. El generador de tonos puede ser utilizado en cableados de par trenzado (telecom, datos,....), conductores individuales, cables coaxiales, cables de CA no activos o en una gran diversidad de cableados. 77

Metrología •

Inclinómetro. Son dispositivos extremadamente sensibles, capaces de medir inclinación horizontal y vertical. Algunas aplicaciones típicas son: Pendiente de carreteras, alineamiento de taladros/túneles, armamento, orientación de satélites, control de inclinación en trenes y en general aplicaciones que requieren gran exactitud.

•

Posicionador Global GPS. El GPS se basa en hallar la distancia desde los satélites: éstos actúan como puntos de referencia exacta.

2.4 Manejo de instrumentos de medición eléctrica. Reglas para efectuar mediciones: 1. Al hacer mediciones, es preciso emplear el instrumento que corresponde a la exactitud exigida. 2. Mirar siempre verticalmente sobre el lugar de lectura. 3. Antes de conectar un instrumento deberá verificarse que la alimentación de los circuitos esté interrumpida. 4. Si no es posible el punto anterior, deberá seleccionarse la mayor escala de medición de que disponga el instrumento. 5. Verificar que la conexión del instrumento al sistema tenga la polaridad correcta. 6. Verificar que la sonda de medición o el transductor utilizados sea el correspondiente a la medición que se realiza. 7. Verificar instrumentos de medición regulables repetidas veces respecto a su posición a cero. 8. Verificar en determinados intervalos los instrumentos de medición en cuanto a su exactitud de medición. •

Voltímetro.

El voltímetro es un aparato que mide la diferencia de potencial entre dos puntos. Para efectuar esta medida se coloca en paralelo entre los puntos cuya diferencia de potencial se desea medir. La diferencia de potencial se ve afectada por la presencia del voltímetro. Para que este no influya en la medida, debe de desviar la mínima intensidad posible, por lo que la resistencia interna del aparato debe de ser grande. Como RV es conocida, la medida de la intensidad I, permite obtener la diferencia de potencial. La resistencia serie debe de ser grande, para que la intensidad que circule por el voltímetro sea despreciable. Se puede cambiar de escala sin mas que cambiar la resistencia serie. Un dispositivo que mide diferencias de potencial recibe el nombre de voltímetro. La diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera en el circuito puede medirse uniendo simplemente las terminales del voltímetro entre estos puntos sin romper el circuito. La diferencia de potencial en el resistor R2 se mide conectando el voltímetro en paralelo con R2. También en este caso, es necesario observar la polaridad del instrumento. La terminal positiva del voltímetro debe conectarse en el extremo del resistor al potencial más alto, y la terminal negativa al extremo del potencial más bajo del resistor. Un voltímetro ideal tiene resistencia infinita de manera 78

Metrología que no circula corriente a través de él. Esta condición requiere que el voltímetro tenga una resistencia que es muy grande en relación con R2. En la práctica, si no se cumple esta condición, debe hacerse una corrección respecto de la resistencia conocida del voltímetro. Voltímetro de bobina móvil. La mayoría de los voltímetros no miden la diferencia de potencial como tal, sino que toman una pequeña corriente de operación proporcional a aquélla; pueden considerarse por tanto como miliamperímetros de alta resistencia, calibrados en voltios. En un instrumento de bobina móvil, no es posible hacer la resistencia de la bobina suficientemente grande, por lo que se conecta en serie con la bobina un resistor R de una aleación de alta resistencia, con un coeficiente de temperatura despreciable; a esta resistencia se le llama a veces un resistor de multiplicación o multiplicador, porque permite leer en el instrumento un alto voltaje V, con sólo un bajo voltaje V, aplicado a través de la bobina. Por lo general, el multiplicador se monta dentro de la caja del instrumento, pero puede estar afuera si la gama de medidas es muy grande. El voltímetro debe tomar solamente una corriente pequeña que no perturbe apreciablemente el circuito donde se conecta. La recíproca de la corriente total es usada a menudo como una medida de ,esta propiedad. En el ejemplo anterior la recíproca es 1/0,015 = 66,7, lo que significa que cualquiera que sea su gama, el voltímetro tiene una resistencia de 66,7 ohm por cada volt marcado en su escala; para instrumentos usados en circuitos de potencia son comunes valores entre 50 y 500 ohm por volt. Frecuentemente se necesitan mayores valores para mediciones en aparatos para corrientes de iluminación, pero entonces el instrumento es necesariamente más delicado y fácil de dañar.

Multímetros digital y analógico. •

Amperímetro.

La corriente es una de las cantidades más importantes que uno quisiera medir en un circuito eléctrico. Se conoce como amperímetro al dispositivo que mide la intensidad de corriente eléctrica. La corriente que se va a medir debe pasar directamente por el amperímetro, debido a que éste debe conectarse a la corriente. Los alambres deben cortarse para realizar las conexiones en el amperímetro. Cuando use este instrumento para medir corrientes continuas, asegúrese de conectarlo de modo que la corriente entre en la terminal positiva del instrumento y salga en la terminal negativa. Idealmente, un amperímetro debe tener resistencia cero de manera que no altere la corriente que se va a medir. 79

Metrología Esta condición requiere que la resistencia del amperímetro sea pequeña comparada con R + R2. Puesto que cualquier amperímetro tiene siempre alguna resistencia, su presencia en el circuito reduce ligeramente la corriente respecto de su valor cuando el amperímetro no está presente. Amperímetro de bobina móvil. La bobina móvil, teniendo en cuenta su delicada construcción, no puede conducir más que una pequeña fracción de ampere. Para valores mayores, la mayor parte de la corriente se hace por una derivación, o shunt, de baja resistencia en paralelo con el instrumento. La escala, sin embargo, se calibra generalmente para leer en ella la corriente total IT, aun cuando la corriente I, que pasa por la bobina sea sólo de unos cuantos miliamperios. El shunt típico, consiste en una o más tiras de aleación de resistencia soldadas a bloques termínales de latón; el cable se atornilla a éstos, suministrándose los tornillos necesarios. Las tiras se hacen a menudo de manganina que tiene un bajo coeficiente de temperatura. También, aunque no está representado en la figura, es útil conectar un resistor de recarga de coeficientes de temperatura despreciable, en serie con la bobina. De este modo, la distribución de corriente entre el instrumento y la derivación es afectada muy poco por la temperatura. Otra posible fuente de error se debe a la corriente termoeléctrica establecida en el circuito local por una diferencia de temperatura entre los extremos de la derivación, que podría originarse por un calentamiento desigual de las conexiones con el cable. La manganina es también apropiada en este respecto, debido a su baja FEM termoeléctrica con el latón. Aunque la resistencia de la derivación para grandes corrientes es menor que para las pequeñas, la potencia absorbida es mayor, debido a que es proporcional al cuadrado de la corriente y a la resistencia. Para corrientes pequeñas la derivación se acomoda por lo general dentro de la caja del instrumento. Para corrientes intensas el gran tamaño necesario para una adecuada disipación del calor hace necesario el montaje externo, lo que tiene la ventaja que el instrumento puede encontrarse lejos de la derivación, incluso en un cuarto separado.

Amperímetros digital y analógico •

Amperímetro de Gancho.

Este instrumento también se utiliza para medir la intensidad de corriente eléctrica, pero a diferencia del amperímetro convencional, no se conecta en serie al circuito, ya que su principio de operación es diferente. Su principio de operación está basado en las Leyes de Ampere y de Faraday. 80

Metrología La ley de Ampere establece que cuando circula una corriente eléctrica por un conductor, existe una circulación de campo magnético a su alrededor, en el caso de un alambre, las líneas de campo magnético son círculos concéntricos cuyo origen se encuentra en el alambre conductor. Entonces, si por el alambre conductor circula una corriente eléctrica alterna, entonces las líneas de campo magnético cambiarán de intensidad y su circulación cambiará de sentido. La ley de Faraday establece que cuando cambia el flujo de campo magnético a través de la superficie limitada por un circuito cerrado, entonces se inducirá una FEM en el circuito cerrado y por lo tanto una corriente eléctrica circulará por él. El amperímetro de gancho está formado por un circuito cerrado, en el cual se introduce el conductor sobre el que se quiere medir la corriente eléctrica, si sobre el conductor circula una corriente alterna, se inducirá una corriente eléctrica sobre el circuito cerrado del amperímetro de gancho y esta corriente eléctrica será proporcional a la corriente eléctrica que circula por el conductor, pudiéndose medir de esa forma la magnitud deseada. Para utilizar el amperímetro de gancho debe asegurarse que la corriente eléctrica que se quiere medir sea corriente alterna, ya que de lo contrario, si por el conductor circula corriente continua, no habrá variación de flujo magnético a través de la superficie limitada por el circuito del amperímetro de gancho y por lo tanto no habrá FEM inducida y la lectura será 0 A. También se debe tener cuidado que si se va a medir la corriente en un circuito cerrado, sólo se introduzca un conductor a la vez en el circuito cerrado del amperímetro de gancho, ya que si se introducen dos conductores y por ellos circula corriente eléctrica en sentidos opuestos, entonces las circulaciones de campo magnético tendrán sentidos opuestos y se cancelarán, originando también que la lectura en el amperímetro sea 0 A.

Amperímetro de Gancho. •

Ohmetro.

Aparato diseñado para medir la resistencia eléctrica en ohm. Debido a que la resistencia es la diferencia de potencial que existe en un conductor dividida por la intensidad de la corriente que pasa por el mismo, un ohmetro tiene que medir dos parámetros, y para ello debe tener su propio generador para producir la corriente eléctrica. 81

Metrología Los ohmetros más comunes son `multímetros’, esto es, instrumentos que por medio de un dial pueden utilizarse para medir la diferencia de potencial, la intensidad de corriente o la resistencia; normalmente pueden preseleccionarse en una gran variedad de rangos de modo que se pueden utilizar ohmetros de laboratorio relativamente baratos para medir resistencias desde fracciones de ohm hasta varios millones de ohm (megaohm). Los ohmetros se utilizan mucho para detección de fallos en circuitos eléctricos. Un ingeniero eléctrico conoce los valores aproximados de resistencia que deben existir entre determinados puntos del circuito y puede comprobarlos fácilmente con el ohmetro. El instrumento consiste en dos bobínas móviles, fijas entre sí, pero con libertad de girar entre los polos de un imán permanente. Ambas bobinas se alimentan de la pila o batería B, pero mientras que la corriente en la bobina de voltaje V es constante, la que pasa por la bobina de corriente C depende de la resistencia entre las terminales de prueba TT. Aquí no hay resortes o pesas de control; la corriente llega y sale de las bobinas a través de alambres muy delgados que no ejercen una torca apreciable en el sistema móvil. Las condiciones con las terminales de prueba en circuito abierto, correspondiendo así a una resistencia infinita; entonces no hay corriente en la bobina de corriente por lo que la bobina de voltaje está en libertad de colocarse por sí misma con su eje alineado con los polos. Si se conecta ahora un resistor a las terminales de prueba, la bobina de corriente ejercerá una torca en sentido antirreloj y el índice se moverá en la escala hasta equilibrarse con la torca de control de la bobina de voltaje. Cualquier cambio de la diferencia de potencial en la batería afecta análogamente a las dos bobinas, por lo que la posición del índice no se afecta. Los instrumentos prácticos tienen sistemas especiales de bobinas, diseñados para obtener una escala mejor dividida. Aquellos que se emplean para medir la resistencia de aislamientos necesitan un alto voltaje como fuente de corriente para un funcionamiento satisfactorio; por lo general, funcionan con un generador impulsado a mano.

Ohmetro analógico. •

Wattmetro.

El wattmetro es un instrumento para la medición de la potencia eléctrica, o el índice de la fuente de energía eléctrica a cualquier circuito. El aparato consiste de un par de bobinas fijas, conocidas como bobinas de corriente y una bobina móvil conocida como la bobina de potencial. Puesto que los watts son el producto de volts y de los amperios, un wattmetro consiste en un voltímetro y un amperímetro. Los dos circuitos de un wattmetro pueden ser dañados por una corriente eléctrica muy grande. Tanto 82

Metrología el amperímetro y el voltímetro son vulnerables al sobrecalentamiento –en caso de una sobrecarga, los apuntadores de los aparatos indican más allá de los límites superiores de las escalas- pero en un wattmetro en particular, tanto el circuito de corriente y de potencia pueden sobrecargarse y puede que el apuntador no apunte más allá de media escala. Esto es debido a que la posición del apuntador depende del factor de potencia, del voltaje y la corriente. Entonces, un circuito con un factor de potencia bajo dará una lectura baja en el wattmetro, aún cuando sus dos circuitos estén cargados al máximo límite de seguridad.

Dibujo esquemático de un wattmetro, MN corresponden al circuito de potencia, XY coresponden al circuito de corriente. •

Multímetro.

El multímetro es también conocido como VOM (Voltios, Ohmios, Miliamperímetro), aunque en la actualidad hay multímetros con capacidad de medir muchas otras magnitudes. (capacitancia, frecuencia, temperatura, etc.). Hay dos tipos de multímetros: los analógicos y los digitales. Los multímetros analógicos son fáciles de identificar por una aguja que al moverse sobre una escala indica del valor de la magnitud medida

Multímetro analógico

Multímetro digital

Los multímetros digitales se identifican principalmente por un panel numérico para leer los valores medidos, la ausencia de la escala que es común el los analógicos. Lo que si tienen es un selector de función y un selector de escala (algunos no tienen selector de escala pues el VOM la determina 83

Metrología automáticamente). Algunos tienen en un solo selector central. El selector de funciones sirve para escoger el tipo de medida que se realizará. Ejemplo:

Voltaje A.C. (ACV)

Voltaje en corriente alterna (en voltios)

Voltaje DC (DCV) 

Voltaje en corriente directa (en voltios)

Corriente AC (AC-mA)

Corriente alterna (en miliamperios)

Corriente DC (DC-mA)

Corriente directa (en miliamperios)

Resistencia (Ω)

Resistencia (en ohmios / ohms)

El selector de rangos sirve para establecer máxima que se podrá visualizar (Si no se tiene una idea de la magnitud a medir empezar por el rango mas grande). Ejemplo:

Para medir

Seleccionar el rango

28 Voltios

30V

2 Voltioss.

3V

250 Voltios

300V

10 Voltios.

30V

12 Voltios

30V

2 Voltios

3V

180 Voltios.

300V

21 Voltios

30V

Véase que se escoge siempre un rango superior al de la magnitud que se mide Rangos de medida para los resistores / resistencias en un multímetro El selector de rango de las resistencias es diferente a la del voltaje y las corriente. Siempre que la función este en ohmios el resultado medido será multiplicado por el factor que se muestra en el rango Los rangos normales son:   R X 1,  R X 10,  R X 100,  R X 1K ,  R X 10K,  R X 1M Donde K significa Kiloohmios y M megaohmios Es muy importante escoger la función y el rango adecuados antes de realizar una medición. Si se equivoca puede dañar el instrumento en forma definitiva. 84

Metrología Adicionalmente un multímetro analógico tiene dos perillas que permiten ajustar la aguja a cero (posición de descanso) y la otra para ajustar la lectura de ohmios a cero (0). Para lograr esto se procede de la siguiente forma: 1- Se pone la función en Ohmios 2- Se pone en el rango:  x 1 3- Se unen las puntas de prueba. Al final del proceso anterior la aguja debe estar en 0 ohmios (ohms). Si no es así se realiza el ajuste con la perilla (con las puntas unidas) Actividad 1. Convierte 54 oC a F. Según el procedimiento indicado,

54 × 9 = 486 486 ÷ 5 = 97 ,2 97 ,2 + 32 = 129,2 entonces 54oC = 129,2 F 2. Convierte 18 oC a K. Basta sumar a la lectura en grados Celsius la cantidad 273,15, es decir

18 + 273,15 = 291,15 entonces 18 oC = 291,15 K •

Megger.

El megger es un medidor que puede ser empleado para ejecutar pruebas del Índice de Polarización, mediciones escalonadas de voltaje, diagnóstico de descarga dieléctrica y pruebas corrientes de aislamiento hasta 5 TΩ. Los resultados y opciones de pruebas se muestran en una pantalla en caracteres análogo/digitales. Esto permite que el usuario lleve a cabo programas preventivos de mantenimiento que reducirán los costos de la empresa. Los voltajes normales de prueba pueden ser 500 V, 1000 V, 2500 V y 5000 V combinados con un voltaje de salida variable en pasos de 25 V. El Megger está diseñado para probar el aislamiento de equipos eléctricos de alto voltaje. Su amplio rango de voltaje permite también su uso en equipos de bajo voltaje. Tanto los motores como los generadores, transformadores, cables e interruptores necesitan todos de una minuciosa revisión. Las cualidades técnicas de las pruebas que se obtienen con el Megger proporcionan una valiosa información para obtener un diagnóstico . El aislamiento va sufriendo gradualmente un constante deterioro así como también un posible daño 85

Metrología repentino. Los efectos de la suciedad, grasa, humedad, vibración y los ataques químicos encontrados al registrar las pruebas del índice de polarización las cuales no están sujetas a las superficiales mediciones de resistencia del aislamiento, dependientes de la temperatura. El Índice de Polarización (IP) es una prueba de tiempo/resistencia en base a la absorción dieléctrica. Las pruebas del IP son también útiles cuando no se han llevado registros de pruebas completas. Con el objeto de hallar defectos más localizados, incluye también pruebas de voltaje por etapas y de descarga dielécrica. El voltaje aplicado por etapas identifica puntos débiles localizados que responden en forma diferente según se va aumentando el esfuerzo eléctrico. La prueba de descarga dieléctrica puede detectar una simple capa defectuosa dentro de un aislamiento de múltiples capas. La clave del mantenimiento preventivo se encuentra en la tendencia que muestran las pruebas de diagnóstico.

Megger. •

Osciloscopio.

El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo. Las funciones básicas de un osciloscopio son:

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•

Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal.

•

Determinar indirectamente la frecuencia de una señal.

•

Determinar que parte de la señal es DC y cual AC.

•

Localizar averias en un circuito.

•

Medir la fase entre dos señales.

•

Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo.

Metrología Los osciloscopios son de los instrumentos más versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores a médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc. Los equipos electrónicos se dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros trabajan con variables continuas mientras que los segundos lo hacen con variables discretas. Por ejemplo un tocadiscos es un equipo analógico y un reproductor de Compact Disc es un equipo digital. Los osciloscopios también pueden ser analógicos ó digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, esta una vez amplificada, desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente). A primera vista un osciloscopio se parece a una pequeña televisión portátil, salvo una rejilla que ocupa la pantalla y el mayor número de controles que posee. En la siguiente figura se representan estos controles distribuidos en cinco secciones:

** Vertical. ** Horizontal. ** Disparo. ** Control de la visualización ** Conectores.

Para entender el funcionamiento de los controles que posee un osciloscopio es necesario detenerse un poco en los procesos internos llevados a cabo por este aparato. Empezaremos por el tipo analógico ya que es el más sencillo.

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Metrología Osciloscopios analógicos

Cuando se conecta la sonda a un circuito, la señal atraviesa esta última y se dirige a la sección vertical. Dependiendo de donde situemos el mando del amplificador vertical atenuaremos la señal ó la amplificaremos. En la salida de este bloque ya se dispone de la suficiente señal para atacar las placas de deflexión verticales (que naturalmente están en posición horizontal) y que son las encargadas de desviar el haz de electrones, que surge del cátodo e impacta en la capa fluorescente del interior de la pantalla, en sentido vertical. Hacia arriba si la tensión es positiva con respecto al punto de referencia (GND) ó hacia abajo si es negativa. La señal también atraviesa la sección de disparo para de esta forma iniciar el barrido horizontal (este es el encargado de mover el haz de electrones desde la parte izquierda de la pantalla a la parte derecha en un determinado tiempo). El trazado (recorrido de izquierda a derecha) se consigue aplicando la parte ascendente de un diente de sierra a las placas de deflexión horizontal (las que están en posición vertical), y puede ser regulable en tiempo actuando sobre el mando TIME-BASE. El retrazado (recorrido de derecha a izquierda) se realiza de forma mucho más rápida con la parte descendente del mismo diente de sierra. De esta forma la acción combinada del trazado horizontal y de la deflexión vertical traza la gráfica de la señal en la pantalla. La sección de disparo es necesaria para estabilizar las señales repetitivas (se asegura que el trazado comience en el mismo punto de la señal repetitiva). En la siguiente figura puede observarse la misma señal en tres ajustes de disparo diferentes: en el primero disparada en flanco ascendente, en el segundo sin disparo y en el tercero disparada en flanco descendente.

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Metrología Como conclusión para utilizar de forma correcta un osciloscopio analógico necesitamos realizar tres ajuste básicos: •

La atenuación ó amplificación que necesita la señal. Utilizar el mando AMPL. para ajustar la amplitud de la señal antes de que sea aplicada a las placas de deflexión vertical. Conviene que la señal ocupe una parte importante de la pantalla sin llegar a sobrepasar los límites.

•

La base de tiempos. Utilizar el mando TIMEBASE para ajustar lo que representa en tiempo una división en horizontal de la pantalla. Para señales repetitivas es conveniente que en la pantalla se puedan observar aproximadamente un par de ciclos.

•

Disparo de la señal. Utilizar los mandos TRIGGER LEVEL (nivel de disparo) y TRIGGER SELECTOR (tipo de disparo) para estabilizar lo mejor posible señales repetitivas.

Por supuesto, también deben ajustarse los controles que afectan a la visualización: FOCUS (enfoque), INTENS. (intensidad) nunca excesiva, Y-POS (posición vertical del haz) y X-POS (posición horizontal del haz). Osciloscopios digitales Los osciloscopios digitales poseen además de las secciones explicadas anteriormente un sistema adicional de proceso de datos que permite almacenar y visualizar la señal.

Cuando se conecta la sonda de un osciloscopio digital a un circuito, la sección vertical ajusta la amplitud de la señal de la misma forma que lo hacía el osciloscopio analógico. El conversor analógico-digital del sistema de adquisición de datos muestrea la señal a intervalos de tiempo determinados y convierte la señal de voltaje continua en una serie de valores digitales llamados muestras. En la sección horizontal una señal de reloj determina cuando el conversor A/D toma una muestra. La velocidad de este reloj se denomina velocidad de muestreo y se mide en muestras por segundo.

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Metrología

Los valores digitales muestreados se almacenan en una memoria como puntos de señal. El número de los puntos de señal utilizados para reconstruir la señal en pantalla se denomina registro. La sección de disparo determina el comienzo y el final de los puntos de señal en el registro. La sección de visualización recibe estos puntos del registro, una vez almacenados en la memoria, para presentar en pantalla la señal. Dependiendo de las capacidades del osciloscopio se pueden tener procesos adicionales sobre los puntos muestreados, incluso se puede disponer de un predisparo, para observar procesos que tengan lugar antes del disparo. Fundamentalmente, un osciloscopio digital se maneja de una forma similar a uno analógico, para poder tomar las medidas se necesita ajustar el mando AMPL.,el mando TIMEBASE así como los mandos que intervienen en el disparo. Términos utilizados al medir Existe un término general para describir un patrón que se repite en el tiempo: onda. Existen ondas de sonido, ondas oceánicas, ondas cerebrales y por supuesto, ondas de tensión. Un osciloscopio mide estas últimas. Un ciclo es la mínima parte de la onda que se repite en el tiempo. Una forma de onda es la representación gráfica de una onda. Una forma de onda de tensión siempre se presentará con el tiempo en el eje horizontal (X) y la amplitud en el eje vertical (Y). La forma de onda nos proporciona una valiosa información sobre la señal. En cualquier momento podemos visualizar la altura que alcanza y, por lo tanto, saber si el voltaje ha cambiado en el tiempo (si observamos, por ejemplo, una línea horizontal podremos concluir que en ese intervalo de tiempo la señal es constante). Con la pendiente de las líneas diagonales, tanto en flanco de subida como en flanco de bajada, podremos conocer la velocidad en el paso de un nivel a otro, pueden observarse también cambios repentinos de la señal (ángulos muy agudos) generalmente debidos a procesos transitorios. Tipos de ondas Se pueden clasificar las ondas en los cuatro tipos siguientes: •

Ondas senoidales

•

Ondas cuadradas y rectangulares

•

Ondas triangulares y en diente de sierra.

•

Pulsos y flancos ó escalones.

Ondas senoidales Son las ondas fundamentales y eso por varias razones: Poseen unas propiedades matemáticas muy interesantes (por ejemplo con combinaciones de señales senoidales de diferente amplitud y 90

Metrología frecuencia se puede reconstruir cualquier forma de onda), la señal que se obtiene de las tomas de corriente de cualquier casa tienen esta forma, las señales de test producidas por los circuitos osciladores de un generador de señal son también senoidales, la mayoría de las fuentes de potencia en AC (corriente alterna) producen señales senoidales. La señal senoidal amortiguada es un caso especial de este tipo de ondas y se producen en fenómenos de oscilación, pero que no se mantienen en el tiempo.

Ondas cuadradas y rectangulares Las ondas cuadradas son básicamente ondas que pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. Son utilizadas usualmente para probar amplificadores (esto es debido a que este tipo de señales contienen en si mismas todas las frecuencias). La televisión, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de señales, fundamentalmente como relojes y temporizadores. Las ondas rectangulares se diferencian de las cuadradas en no tener iguales los intervalos en los que la tensión permanece a nivel alto y bajo. Son particularmente importantes para analizar circuitos digitales.

Ondas triangulares y en diente de sierra Se producen en circuitos diseñados para controlar voltajes linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico ó el barrido tanto horizontal como vertical de una televisión. Las transiciones entre el nivel mínimo y máximo de la señal cambian a un ritmo constante. Estas transiciones se denominan rampas. La onda en diente de sierra es un caso especial de señal triangular con una rampa descendente de mucha más pendiente que la rampa ascendente.

91

Metrología Pulsos y flancos ó escalones Señales, como los flancos y los pulsos, que solo se presentan una sola vez, se denominan señales transitorias. Un flanco ó escalón indica un cambio repentino en el voltaje, por ejemplo cuando se conecta un interruptor de alimentación. El pulso indicaría, en este mismo ejemplo, que se ha conectado el interruptor y en un determinado tiempo se ha desconectado. Generalmente el pulso representa un bit de información atravesando un circuito de un ordenador digital ó también un pequeño defecto en un circuito (por ejemplo un falso contacto momentáneo). Es común encontrar señales de este tipo en ordenadores, equipos de rayos X y de comunicaciones.

Medidas en las formas de onda. En esta sección describimos las medidas más corrientes para describir una forma de onda. Periodo y Frecuencia Si una señal se repite en el tiempo, posee una frecuencia (f). La frecuencia se mide en Hertz (Hz) y es igual al número de veces que la señal se repite en un segundo, es decir, 1Hz equivale a 1 ciclo por segundo. Una señal repetitiva también posee otro parámetro: el periodo, definiéndose como el tiempo que tarda la señal en completar un ciclo. Periodo y frecuencia son recíprocos el uno del otro:

Voltaje Voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Normalmente uno de esos puntos suele ser Tierra (GND, 0 V), pero no siempre, por ejemplo se puede medir el voltaje pico a pico de una señal (Vpp) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo de esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor máximo de una señal y Tierra. 92

Metrología Fase La fase se puede explicar mucho mejor si consideramos la forma de onda senoidal. La onda senoidal se puede extraer de la circulación de un punto sobre un círculo de 360º. Un ciclo de la señal senoidal abarca los 360º.

Cuando se comparan dos señales senoidales de la misma frecuencia puede ocurrir que ambas no estén en fase, o sea, que no coincidan en el tiempo los pasos por puntos equivalentes de ambas señales. En este caso se dice que ambas señales están desfasadas, pudiéndose medir el desfase con una simple regla de tres: Siendo t el tiempo de retraso entre una señal y otra.

Los términos definidos en esta sección nos permitirán comparar diferentes modelos de osciloscopio disponibles en el mercado. Ancho de Banda Especifica el rango de frecuencias en las que el osciloscopio puede medir con precisión. Por convenio el ancho de banda se calcula desde 0Hz (continua) hasta la frecuencia a la cual una señal de tipo senoidal se visualiza a un 70,7% del valor aplicado a la entrada (lo que corresponde a una atenuación de 3dB). Tiempo de subida Es otro de los parámetros que nos dará, junto con el anterior, la máxima frecuencia de utilización del osciloscopio. Es un parámetro muy importante si se desea medir con fiabilidad pulsos y flancos (recordar que este tipo de señales poseen transiciones entre niveles de tensión muy rápidas). Un osciloscopio no puede visualizar pulsos con tiempos de subida más rápidos que el suyo propio.

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Metrología Sensibilidad vertical Indica la facilidad del osciloscopio para amplificar señales débiles. Se suele proporcionar en mV por división vertical, normalmente es del orden de 5 mV/div (llegando hasta 2 mV/div). Velocidad Para osciloscopios analógicos esta especificación indica la velocidad máxima del barrido horizontal, lo que nos permitirá observar sucesos más rápidos. Suele ser del orden de nanosegundos por división horizontal. Exactitud en la ganancia Indica la precisión con la cual el sistema vertical del osciloscopio amplifica ó atenúa la señal. Se proporciona normalmente en porcentaje máximo de error. Exactitud de la base de tiempos Indica la precisión en la base de tiempos del sistema horizontal del osciloscopio para visualizar el tiempo. También se suele dar en porcentaje de error máximo. Velocidad de muestreo En los osciloscopios digitales indica cuantas muestras por segundo es capaz de tomar el sistema de adquisición de datos (específicamente el conversor A/D). En los osciloscopios de calidad se llega a velocidades de muestreo de Megamuestras/s. Una velocidad de muestreo grande es importante para poder visualizar pequeños periodos de tiempo. En el otro extremo de la escala, también se necesita velocidades de muestreo bajas para poder observar señales de variación lenta. Generalmente la velocidad de muestreo cambia al actuar sobre el mando TIMEBASE para mantener constante el número de puntos que se almacenaran para representar la forma de onda. Resolución vertical Se mide en bits y es un parámetro que nos da la resolución del conversor A/D del osciloscopio digital. Nos indica con que precisión se convierten las señales de entrada en valores digitales almacenados en la memoria. Técnicas de cálculo pueden aumentar la resolución efectiva del osciloscopio. Longitud del registro Indica cuantos puntos se memorizan en un registro para la reconstrucción de la forma de onda. Algunos osciloscopios permiten variar, dentro de ciertos límites, este parámetro. La máxima longitud del registro depende del tamaño de la memoria de que disponga el osciloscopio. Una longitud del registro grande permite realizar ampliaciones (zoom) sobre detalles en la forma de onda de forma muy rápida (los datos ya han sido almacenados), sin embargo esta ventaja es a costa de consumir más tiempo en muestrear la señal completa. Los primeros pasos para el correcto manejo del osciloscopio son:

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Metrología Poner a Tierra el Osciloscopio Una buena conexión a Tierra es muy importante para realizar medidas con un osciloscopio. Por seguridad es obligatorio colocar a Tierra el osciloscopio. Si se produce un contacto entre un alto voltaje y la carcasa de un osciloscopio no puesto a Tierra, cualquier parte de la carcasa, incluidos los mandos, puede producirle una peligrosa descarga. Mientras que un osciloscopio bien colocado a Tierra, la corriente, que en el anterior caso te atravesaría, se desvía a la conexión de Tierra. Para conectar a Tierra un osciloscopio se necesita unir el chasis del osciloscopio con el punto de referencia neutro de tensión (comúnmente llamado Tierra). Esto se consigue empleando cables de alimentación con tres conductores (dos para la alimentación y uno para la toma de Tierra). El osciloscopio necesita, por otra parte, compartir la misma masa con todos los circuitos bajo prueba a los que se conecta. Algunos osciloscopios pueden funcionar a diferentes tensiones de red y es muy importante asegurarse que esta ajustado a la misma de la que disponemos en las tomas de tensión.

Ponerse a Tierra uno mismo Si se trabaja en circuitos integrados (ICs), especialmente del tipo CMOS, es necesario colocarse a tierra uno mismo. Esto es debido a que ciertas partes de estos circuitos integrados son susceptibles de estropearse con la tensión estática que almacena nuestro propio cuerpo. Para resolver este problema se puede emplear una correa conductora que se conectará debidamente a Tierra, descargando la electricidad estática que posea su cuerpo.

Ajuste inicial de los controles Después de conectar el osciloscopio a la toma de red y de alimentarlo pulsando en el interruptor de encendido: 95

Metrología

Es necesario familiarizarse con el panel frontal del osciloscopio. Todos los osciloscopios disponen de tres secciones básicas que llamaremos: Vertical, Horizontal, y Disparo. Dependiendo del tipo de osciloscopio empleado en particular, podemos disponer de otras secciones. Existen unos conectores BNC, donde se colocan las sondas de medida.

La mayoría de los osciloscopios actuales disponen de dos canales etiquetados normalmente como I y II (ó A y B). El disponer de dos canales nos permite comparar señales de forma muy cómoda. Algunos osciloscopios avanzados poseen un interruptor etiquetado como AUTOSET ó PRESET que ajustan los controles en un solo paso para ajustar perfectamente la señal a la pantalla. Si tu osciloscopio no posee esta característica, es importante ajustar los diferentes controles del aparato a su posición estándar antes de proceder a medir. Estos son los pasos más recomendables:

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•

Ajustar el osciloscopio para visualizar el canal I. (al mismo tiempo se colocará como canal de disparo el I).

•

Ajustar a una posición intermedia la escala voltios/división del canal I (por ejemplo 1v/cm).

•

Colocar en posición calibrada el mando variable de voltios/división (potenciómetro central).

• •

Desactivar cualquier tipo de multiplicadores verticales. Colocar el conmutador de entrada para el canal I en acoplamiento DC.

Metrología

•

Colocar el modo de disparo en automático.

• •

Desactivar el disparo retardado al mínimo ó desactivado. Situar el control de intensidad al mínimo que permita apreciar el trazo en la pantalla, y el trazo de focus ajustado para una visualización lo más nítida posible (generalmente los mandos quedaran con la señalización cercana a la posición vertical).

Sondas de medida Con los pasos detallados anteriormente, ya estas en condiciones de conectar la sonda de medida al conector de entrada del canal I. Es muy importante utilizar las sondas diseñadas para trabajar específicamente con el osciloscopio. Una sonda no es ni mucho menos, un cable con una pinza, sino que es un conector específicamente diseñado para evitar ruidos que puedan perturbar la medida. Además, las sondas se construyen para que tengan un efecto mínimo sobre el circuito de medida. Esta facultad de la sondas recibe el nombre de efecto de carga, para minimizarla se utiliza un atenuador pasivo, generalmente de x10.

Este tipo de sonda se proporciona generalmente con el osciloscopio y es una excelente sonda de utilización general. Para otros tipos de medidas se utilizan sondas especiales, como pueden ser las sondas de corriente ó las activas. Sondas pasivas La mayoría de las sondas pasivas están marcadas con un factor de atenuación, normalmente 10X ó 100X. Por convenio los factores de atenuación aparecen con el signo X detrás del factor de división. En contraste los factores de amplificación aparecen con el signo X delante (X10 ó X100). La sonda más utilizada posiblemente sea la 10X, reduciendo la amplitud de la señal en un factor 97

Metrología de 10. Su utilización se extiende a partir de frecuencias superiores a 5 kHz y con niveles de señal superiores a 10 mV. La sonda 1X es similar a la anterior pero introduce más carga en el circuito de prueba, pero puede medir señales con menor nivel. Por comodidad de uso se han introducido sondas especiales con un conmutador que permite una utilización 1X ó 10X. Cuando se utilicen este tipo de sondas hay que asegurarse de la posición de este conmutador antes de realizar una medida.

Compensación de la sonda Antes de utilizar una sonda atenuadora 10X es necesario realizar un ajuste en frecuencia para el osciloscopio en particular sobre el que se vaya a trabajar. Este ajuste se denomina compensación de la sonda y consta de los siguientes pasos. • •

Conectar la sonda a la entrada del canal I. Conectar la punta de la sonda al punto de señal de compensación (La mayoría de los osciloscopios disponen de una toma para ajustar las sondas, en caso contrario será necesario utilizar un generador de onda cuadrada).

• • •

Conectar la pinza de cocodrilo de la sonda a masa. Observar la señal cuadrada de referencia en la pantalla. Con el destornillador de ajuste, actuar sobre el condensador de ajuste hasta observar una señal cuadrada perfecta.

Sondas activas Proporcionan una amplificación antes de aplicar la señal a la entrada del osciloscopio. Pueden ser necesarias en circuitos con una capacidad de carga de salida muy baja. Este tipo de sondas necesitan para operar una fuente de alimentación. 98

Metrología Sondas de corriente Posibilitan la medida directa de las corrientes en un circuito. Las hay para medida de corriente alterna y continua. Poseen una pinza que abarca el cable a través del cual se desea medir la corriente. Al no situarse en serie con el circuito causan muy poca interferencia en él. Técnicas de Medida Las dos medidas básicas que se pueden realizar con un osciloscopio son el voltaje y el tiempo, al ser medidas directas. Algunos osciloscopios digitales poseen un software interno que permite realizar las medidas de forma automática. Sin embargo, si aprendemos a realizar medidas de forma manual, estaremos también capacitados para chequear las medidas automáticas que realiza un osciloscopio digital. La pantalla. Fíjate en la siguiente figura que representa la pantalla de un osciloscopio. Deberás notar que existen unas marcas en la pantalla que la dividen tanto en vertical como en horizontal, forman lo que se denomina retícula ó rejilla. La separación entre dos líneas consecutivas de la rejilla constituye lo que se denomina una división. Normalmente la rejilla posee 10 divisiones horizontales por 8 verticales del mismo tamaño (cercano al cm), lo que forma una pantalla más ancha que alta. En las líneas centrales, tanto en horizontal como en vertical, cada división ó cuadro posee unas marcas que la dividen en cinco partes iguales (utilizadas como veremos más tarde para afinar las medidas)

Algunos osciloscopios poseen marcas horizontales de 0%, 10%, 90% y 100% para facilitar la medida de tiempos de subida y bajada en los flancos (se mide entre el 10% y el 90% de la amplitud de pico a pico). Algunos osciloscopios también visualizan en su pantalla cuantos voltios representa cada división vertical y cuantos segundos representa cada división horizontal. Medida de voltajes. Generalmente cuando hablamos de voltaje queremos expresar la diferencia de potencial eléctrico, expresado en voltios, entre dos puntos de un circuito. Pero normalmente uno de los puntos está conectado a Tierra (0 V) y entonces simplificamos hablando del voltaje en el punto A ( cuando en realidad es la diferencia de potencial entre el punto A y GND). Los voltajes pueden también medirse de pico a pico (entre el valor máximo y mínimo de la señal). Es muy importante que especifiquemos al realizar una medida que tipo de voltaje estamos midiendo. El osciloscopio es un dispositivo para medir el voltaje de forma directa. Otros medidas se pueden 99

Metrología realizar a partir de esta por simple cálculo (por ejemplo, la de la intensidad ó la potencia). Los cálculos para señales CA pueden ser complicados, pero siempre el primer paso para medir otras magnitudes es empezar por el voltaje.

En la figura anterior se ha señalado el valor de pico Vp, el valor de pico a pico Vpp, normalmente el doble de Vp y el valor eficaz Vef ó VRMS (root-mean-square, es decir la raíz cuadrada de la media de los valores instantáneos elevados al cuadrado) utilizada para calcular la potencia de la señal CA. Realizar la medida de voltajes con un osciloscopio es fácil, simplemente se trata de contar el número de divisiones verticales que ocupa la señal en la pantalla. Ajustando la señal con el mando de posicionamiento horizontal podemos utilizar las subdivisiones de la rejilla para realizar una medida más precisa ( recuerda que una subdivisión equivale generalmente a 1/5 de lo que represente una división completa). Es importante que la señal ocupe el máximo espacio de la pantalla para realizar medidas fiables, para ello actuaremos sobre el conmutador del amplificador vertical.

Algunos osciloscopios poseen en la pantalla un cursor que permite tomar las medidas de tensión sin contar el número de divisiones que ocupa la señal. Básicamente el cursor son dos líneas horizontales para la medida de voltajes y dos líneas verticales para la medida de tiempos que podemos desplazar individualmente por la pantalla. La medida se visualiza de forma automática en la pantalla del osciloscopio. Medida de tiempo y frecuencia. Para realizar medidas de tiempo se utiliza la escala horizontal del osciloscopio. Esto incluye la medida de periodos, anchura de impulsos y tiempo de subida y bajada de impulsos. La frecuencia es una medida indirecta y se realiza calculando la inversa del periodo. Al igual que ocurría con los voltajes, la medida de tiempos será más precisa si el tiempo a objeto de medida ocupa la mayor parte de la pantalla, para ello actuaremos sobre el conmutador de la base de tiempos. Si centramos la señal utilizando el mando de posicionamiento vertical podemos utilizar las subdivisiones para realizar una medida más precisa.

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Metrología

Medida de tiempos de subida y bajada en los flancos. En muchas aplicaciones es importante conocer los detalles de un pulso, en particular los tiempos de subida ó bajada de estos. Las medidas estándar en un pulso son su anchura y los tiempos de subida y bajada. El tiempo de subida de un pulso es la transición del nivel bajo al nivel alto de voltaje. Por convenio, se mide el tiempo entre el momento que el pulso alcanza el 10% de la tensión total hasta que llega al 90%. Esto elimina las irregularidades en las bordes del impulso. Esto explica las marcas que se observan en algunos osciloscopios (algunas veces simplemente unas líneas punteadas). La medida en los pulsos requiere un fino ajuste en los mandos de disparo. Para convertirse en un experto en la captura de pulsos es importante conocer el uso de los mandos de disparo que posea nuestro osciloscopio. Una vez capturado el pulso, el proceso de medida es el siguiente: se ajusta actuando sobre el conmutador del amplificador vertical y el y el mando variable asociado hasta que la amplitud pico a pico del pulso coincida con las líneas punteadas (ó las señaladas como 0% y 100%). Se mide el intervalo de tiempo que existe entre que el impulso corta a la línea señalada como 10% y el 90%, ajustando el conmutador de la base de tiempos para que dicho tiempo ocupe el máximo de la pantalla del osciloscopio.

Medida del desfase entre señales. La sección horizontal del osciloscopio posee un control etiquetado como X-Y, que nos va a introducir en una de las técnicas de medida de desfase (la única que podemos utilizar cuando solo disponemos de un canal vertical en nuestro osciloscopio). El periodo de una señal se corresponde con una fase de 360º. El desfase indica el ángulo de atraso ó adelanto que posee una señal con respecto a otra (tomada como referencia) si poseen ambas el mismo periodo. Ya que el osciloscopio solo puede medir directamente los tiempos, la medida del desfase será indirecta. 101

Metrología Uno de los métodos para medir el desfase es utilizar el modo X-Y. Esto implica introducir una señal por el canal vertical (generalmente el I) y la otra por el canal horizontal (el II) (este método solo funciona de forma correcta si ambas señales son senoidales). La forma de onda resultante en pantalla se denomina figura de Lissajous (debido al físico francés denominado Jules Antoine Lissajous). Se puede deducir la fase entre las dos señales, así como su relación de frecuencias observando la siguiente figura

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Probador de cableado de Red Lan.

Tendencias en las Telecomunicaciones Las telecomunicaciones se encargan de la transmisión de información a distancia, hasta ahora en distintos formatos: analógico, digital, módem

Vocal Escrita Vídeo Datos

Telefonía, Radio Diarios, FAX, microfilm, archivos T.V.,Fotos, Películas Informática

Telecomunicaciones e Informática se fusionan en un único sistema y la red que permita la transmisión de información entre todas estas aplicaciones se llama la Autopista Informática o Information Superhighway. En términos técnicos el nombre es W-ISDN (Wideband-Integrated Services Digital Networks) Esta red se transforma en vital para la humanidad en la era de la información, por eso Estados Unidos se prepara para instalar la red mas importante del mundo en comunicaciones y ha desrregulado totalmente el mercado de las telecomunicaciones (15 000 millones de USD). El conocimiento es la base del poder actual de las potencias y las redes de telecomunicaciones son las “venas” por donde el conocimiento transita, como la sangre en el cuerpo humano. Por ello estos sistemas se transforman en estratégicos y se invierten sumas astronómicas de dinero en su desarrollo. Caso Internet (surgió de DARPA). La informática es el conjunto de tecnologías que permite procesar información y a través de ello obtener más conocimiento. De allí el desarrollo siempre creciente de esta disciplina y el porque de las sumas siderales que mueve este mercado: La economía global necesita óptimo manejo de información: compartirla, procesarla, almacenarla, transmitirla, etc. La Globalizacion de la Economía se basa en el intercambio de conocimiento y solo podrán competir aquellos que sepan manejar eficientemente la información a través de las mejores herramientas que la tecnología ponga a su disposición. Por eso en las empresas mas importantes y competitivas al 102

Metrología lado de cada teléfono se ve una terminal de computadora. Tecnologías de Las Redes de Telecomunicaciones: Las redes se dividen hoy en dos grandes categorías con base a su medio: Inalámbricas: • • • • • •

WLL: Wireless Local Loop Celular: AMPS, GSM, TDMA, CDMA Satélite Celular de Órbita baja (LEO): Global Star, Iridium PCS Digital Microwaves V-SAT

Fijas o Alámbricas: Son las redes que hoy conocemos y que están en manos de las empresas telefónicas tradicionales como caras visibles al usuario. Dentro de la empresa son las redes independientes de computación y de telefonía. Estas redes tendrán una enorme evolución en los próximos años dado que deberán incrementar notablemente su capacidad de transportar información, el tráfico, de modo de dar satisfacción a la demanda mundial de comunicaciones dada por los servicios que deberán canalizar: • • •

Voz: Telefonía y Audio de Alta calidad, etc. Datos: LAN, WAN, Intenet, etc. Video: Vídeo Conferencia, TV Cable, Películas a demanda, etc.

La tendencia es que estas redes se transformen debido a los cambios tecnológicos y de velocidad necesarios y evolucionaran hacia el siguiente modelo: •

Continuarán los pares de alambre de cobre para la llegada a la casa del suscriptor común y de la PyME de bajo tráfico relativo. Sobre todo por la gran inversión ya realizada.

•

Los video-cables llevarán nuevos servicios a las casas: teléfono, películas a demanda, datos. Mediante combinaciones de coaxial con F.O.

•

Las empresas grandes recibirán enlaces de F.O. de las prestatarias de modo de canalizar el alto tráfico esperado y se conectaran digitalmente a sus equipamientos.

•

Dentro de las empresas el cableado será estructurado y deberá soportar la migración a los nuevos sistemas: redes de datos de alta velocidad, ISDN, ATM, etc.

•

Los vínculos entre centrales serán todos digitales, de F.O. en tecnología SDH (hasta 2,4 Gbit/s) o mayor (los radios digitales se utilizaran solo en pequeña localidades no alcanzadas por la F.O.). Los vínculos interurbanos e internacionales serán también de F.O. con la misma tecnología, relegándose paulatinamente el uso de los satélites por su gran demora y baja capacidad.

•

La tecnología de conmutación migrara hacia conmutadores totalmente ATM en la filosofía

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de conmutación de paquetes. 103

Metrología Dentro de la empresa, los sistemas que se utilizarán serán: • • • •

Telefonía actual por loop de corriente a 2 y 4 hilos (Key Systems) Redes LAN de filosofía Ethernet (las famosas Novell), que solo manejan datos (por ahora) ATM, Asincronous Transfer Mode: conmutadores que manejan Voz, Datos y Vídeo ISDN, Red digital de Servicios Integrados (PABX c/TE digitales, E0, E1)

Los medios que se utilizarán para transmitir en estos sistemas serán: • • • •

Cables de 2 hilos (1 pares) para Telefonía, se dejara de usar, no puede crecer en velocidad. Cable coaxial, cada vez mas en desuso por su alto costo y difícil manipuleo. Reemplaza F.O. Cables UTP/FTP para acometer a los equipos terminales. Cables de Fibra Óptica para las conexiones entre equipos de conmutación (Backbone).

Origen del Cableado Estructurado Los sistemas telefónicos y de computación se desarrollaron por vías totalmente separadas. Las empresas superponían instalaciones en forma anárquica en función de la demanda de nuevos usuarios y la incorporación de nuevos equipamientos. Cada proveedor de equipos realizaba la instalación de cables que mas le convenía y este no podía ser usado por los otros fabricantes, lo cual dificultaba al cliente el cambio de proveedor, dado que el nuevo equipamiento no era compatible con el cableado existente y lo obligaba a comprar al anterior o recambiar toda la red. Las redes telefónicas tenían, por lo general, topología en estrella cuyas características son: Topología Estrella Ventajas: • • •

Facilidad de Expansión Prolongaciones sin afectar el normal funcionamiento de la red Menor costo a largo plazo

Desventajas: • •

Mayor costo de instalación inicial Las redes informáticas se realizaban, por lo general, en base a redes de cable coaxial con topología “bus” o “anillo” las cuales tenían baja confiabilidad real en campo, si se plantaba un terminal o se cortaba el cable en un sitio TODA la red se plantaba.

Topología Bus Ventajas: • • 104

Expandible Fácilmente Bajo costo Inicial

Metrología Desventajas: • • • • •

Una falla interrumpe la operación de todos los nodos Dificultad en ubicar la falla Toda modificación en la red produce interrupción en el servicio. Alto costo de operación Mayor costo a largo plazo

Normalización, Surgimiento de la Norma EIA/TIA 568 El profundo avance de la tecnología ha hecho que hoy sea posible disponer de servicios que eran inimaginables pocos años atrás. En lo referente a informática y telecomunicaciones, resulta posible utilizar hoy servicios de vídeo conferencia, consultar bases de datos remotas en línea, transferir en forma instantánea documentos de un computador a otro ubicados a miles de kilómetros, desde el computador de la oficina, el correo electrónico, para mencionar solamente algunos de los servicios de aparición más creciente, que coexisten con otros ya tradicionales, como la telefonía, FAX, etc. Sin embargo, para poder disponer de estas prestaciones desde todos los puestos de trabajo ubicados en un edificio de oficinas se hace necesario disponer, además del equipamiento (hardware y software), de las instalaciones físicas (sistemas de cableado) necesarias. Los diversos servicios arriba mencionados plantean diferentes requerimientos de cableado. Si a ello le sumamos que permanentemente aparecen nuevos productos y servicios, con requerimientos muchas veces diferentes, resulta claro que realizar el diseño de un sistema de cableado para un edificio de oficinas, pretendiendo que dicho cableado tenga una vida útil de varios años y soporte la mayor cantidad de servicios existentes y futuros posible, no es una tarea fácil. Para completar el panorama, se debe tener en cuenta que la magnitud de la obra requerida para llegar con cables a cada uno de los puestos de trabajo de un edificio es considerable, implicando un costo nada despreciable en materiales y mano de obra. Si el edificio se encuentra ya ocupado - como ocurre en la mayoría de los casos- se deben tener en cuenta además las alteraciones y molestias ocasionadas a los ocupantes del mismo. Para intentar una solución a todas estas consideraciones (que reflejan una problemática mundial) surge el concepto de lo que se ha dado en llamar “cableado estructurado”. Dos asociaciones empresarias, la Electronics Industries Asociation (EIA) y la Telecommunications Industries Asociation (TIA), que agrupan a las industrias de electrónica y de telecomunicaciones de los Estados Unidos, han dado a conocer, en forma conjunta , la norma EIA/TIA 568 (1991), donde se establecen las pautas a seguir para la ejecución del cableado estructurado. La norma garantiza que los sistemas que se ejecuten de acuerdo a ella soportarán todas las aplicaciones de telecomunicaciones presentes y futuras por un lapso de al menos diez años. Esto es, que los fabricantes del país mas desarrollado del mundo en lo referente a telecomunicaciones y donde se desarrollan los sistemas que se usaran en el futuro, son quienes aseguran que al menos durante los próximos diez años desde que se emitió la norma (hasta el 2001), todos los nuevos productos a aparecer podrán soportarse en los sistemas de cableado que se diseñen hoy de acuerdo a la referida norma. 105

Metrología Posteriormente, la ISO (International Organization for Standards) y el IEC (International Electrotechnical Commission) la adoptan bajo el nombre de ISO/IEC DIS 11801 (1994) haciéndola extensiva a Europa (que ya había adoptado una versión modificada, la CENELEC TC115) y el resto del mundo. En Argentina no existe aun normativa al respecto dado el atraso de la CNT en definir las nuevas normas que reemplacen a las viejas y obsoletas normas de ENTeL que no contemplaban el cableado de datos en lo más mínimo. Se ha presentado un proyecto de normativa a la CNT en base a la norma EIA/TIA 568 de modo que esta homologue y normalice lo que ya es un estándar “de facto” adoptada por el mercado en Argentina. Vaya como ejemplo que esta norma es citada en todas las obras públicas que el mismo estado nacional y muchos provinciales llaman a licitación, asi como tanto TASA como TECO las utilizan en sus propias oficinas. Ventajas del Cableado Estructurado: Un sistema de cableado estructurado se define por oposición a los problemas del cableado no estructurado, no estándar o cerrado, o propietario de un determinado fabricante. Un “sistema de cableado abierto” por otro lado, es un sistema de cableado estructurado que está diseñado para ser independiente del proveedor y de la aplicación a la vez. Las características claves de un sistema de cableado abierto son que todos las outlets (salidas para conexión) del área de trabajo son idénticamente conectados en estrella a algún punto de distribución central, usando una combinación de medio y hardware que puede aceptar cualquier necesidad de aplicación que pueda ocurrir a lo largo de la vida del cableado (10 años). Estas características del sistema de cableado abierto ofrecen tres ventajas principales al dueño o usuario: a) Debido a que el sistema de cableado es independiente de la aplicación y del proveedor, los cambios en la red y en el equipamiento pueden realizarse por los mismos cables existentes. b) Debido a que los outlets están cableados de igual forma, los movimientos de personal pueden hacerse sin modificar la base de cableado. c) La localización de los hubs y concentradores de la red en un punto central de distribución, en general un closet de telecomunicaciones, permite que los problemas de cableado o de red sean detectados y aislados fácilmente sin tener que parar el resto de la red. Categoría 5: El cableado estructurado en categoría 5 es el tipo de cableado más solicitado hoy en día. - - -

Se refiere a la especificación de las características eléctricas de transmisión de los componentes de un cableado basado en UTP. Esta normalizado por los apéndices EIA/TIA TSB 36 (cables) y TSB 40 (conectores) Es la más alta especificación en cuanto a niveles de ancho de banda y performance.

Los elementos certificados bajo esta categoría permiten mantener las especificaciones de los 106

Metrología parámetros eléctricos dentro de los límites fijados por la norma hasta una frecuencia de 100 Mhz en todos sus pares. Como comparación se detallan los anchos de banda (Bw) de las otras categorías: * Categoría 1y 2 No están especificadas * Categoría 3: hasta 16 Mhz * Categoría 4: hasta 20 Mhz * Categoría 5: hasta 100 Mhz - - - -

Es una especificación genérica para cualquier par o cualquier combinación de pares. No se refiere a la posibilidad de transmitir 100 Mb/s para solo una sola combinación de pares elegida. El elemento que pasa la prueba lo debe hacer sobre “todos” los pares. No es para garantizar el funcionamiento de una aplicación específica. Es el equipo que se le conecte el que puede usar o no todo el Bw permitido por el cable. Se aplica a los cables UTP de 4 pares y su uso como cables de distribución, patcheo y cables de equipos a: • la interconexión de UTP de cualquier configuración • los terminales de conexión (jack) • los patch panels • los elementos usados en los puntos de transición

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Cuando se certifica una instalación en base a la especificación de “Categoría 5” se lo hace de Punta a Punta y se lo garantiza por escrito. Los parámetros eléctricos que se miden son: * Atenuación en función de la frecuencia (db) * Impedancia característica del cable (Ohms) * Acoplamiento del punto mas cercano (NEXT- db) * Relación entre Atenuación y Crostalk (ACR- db) * Capacitancia (pf/m) * Resistencia en DC (Ohms/m) * Velocidad de propagación nominal (% en relación C)

Nomenclatura del Cableado Estructurado En la normativa se especifican los siguientes elementos: - - - - - - -

Distribuidor de piso (Floor Distributor) Rosetas ( Telecommunication Outlet) Area de trabajo (Work Area ) Punto de Transición (Transition Point) Armario de Telecomunicaciones (Telecommunication Closet) Sala de Equipos (Equipment Room) Interfase de red (Network Interface)

Es aconsejable ser constante con el uso de las definiciones de las partes componentes de un cableado (el vocabulario), pues suelen utilizarse varios nombres para el mismo elemento como consecuencia de las traducciones. 107

Metrología El diagrama de distribución del cableado, nos permite colocar más de un distribuidor de piso si la densidad o las distancias de las áreas de trabajo así lo exigen, y en forma inversa si la densidad y las distancias son bajas, puede concentrarse los cables de más de un piso en un solo distribuidor. Típicamente 3 pisos. Los distribuidores pueden cumplir funciones combinadas, excepto la utilización de un sólo distribuidor para 2 o más edificios. En la siguiente figura se puede apreciar un esquema del cableado de un edificio en base a la norma EIA/TIA 568: - - - - - - -

Distribuidor de piso (Floor Distributor) Rosetas ( Telecommunication Outlet) Área de trabajo (Work Area ) Punto de Transición (Transition Point) Armario de Telecomunicaciones (Telecommunication Closet) Sala de Equipos (Equipment Room) Interfase de red (Network Interface)

Es aconsejable ser constante con el uso de las definiciones de las partes componentes de un cableado (el vocabulario), pues suelen utilizarse varios nombres para el mismo elemento como consecuencia de las traducciones. El diagrama de distribución del cableado, nos permite colocar más de un distribuidor de piso si la densidad o las distancias de las áreas de trabajo así lo exigen, y en forma inversa si la densidad y las distancias son bajas, puede concentrarse los cables de más de un piso en un solo distribuidor. Típicamente 3 pisos. Los distribuidores pueden cumplir funciones combinadas, excepto la utilización de un sólo distribuidor para 2 o más edificios. En la siguiente figura se puede apreciar un esquema del cableado de un edificio con base a la norma EIA/TIA 568:

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Metrología Componentes del Cableado Estructurado: A continuación se detallan los elementos más usuales en instalaciones de pequeño porte. Keystone: Se trata de un dispositivo modular de conexión monolínea, hembra, apto para conectar conector RJ45, que permite su inserción en rosetas y frentes de patch panels especiales mediante un sistema de encastre.Permite la colocación de la cantidad exacta de conexiones necesarias.

Roseta P/Keystone: Se trata de una pieza plástica de soporte que se amura a la pared y permite encastrar hasta 2 keystone, formando una roseta de hasta 2 bocas. No incluye en keystone que se compra por separado.

Frente para Keystone o Faceplate: Se trata de una pieza plástica plana de soporte que es tapa de una caja estándar de electricidad embutida de 5x10 cm y permite encastrar hasta 2 keystone, formando un conjunto de conexión de hasta 2bocas. No incluye los keystone que se compran por separado. La boca que quede libre en caso que se desee colocar un solo keystone se obtura con un inserto ciego que también se provee por separado.

Rosetas Integradas: Usualmente de 2 bocas, aunque existe también la versión reducida de 1 boca. Posee un circuito impreso que soporta conectores RJ45 y conectores IDC (Insulation Desplacement Connector) de tipo 110 para conectar los cables UTP sólidos con la herramienta de impacto. Se proveen usualmente con almohadilla autoadhesiva para fijar a la pared y/o perforación para tornillo. Cable Utp Sólido: El cable UTP (Unshielded Twisted Pair) posee 4 pares bien trenzados entre si (paso mucho más torsionado que el Vaina Gris de la norma ENTeL 755), sin lámina de aluminio de blindaje, envuelto dentro de una cubierta de PVC. Existen tipos especiales (mucho más caros) realizados en materiales especiales para instalaciones que exigen normas estrictas de seguridad ante incendio. Se presenta en cajas de 1000 ft (305 m) para su fácil manipulación, no se enrosca, y viene marcado con números que representan la distancia en pies de cada tramo en forma correlativa, con lo que se 109

Metrología puede saber la longitud utilizada y la distancia que aun queda disponible en la caja con solo registrar estos números y realizar una simple resta.

Patch Panel Están formados por un soporte, usualmente metálico y de medidas compatibles con rack de 19”, que sostiene placas de circuito impreso sobre la que se montan: de un lado los conectores RJ45 y del otro los conectores IDC para block tipo 110. Se proveen en capacidades de 12 a 96 puertos (múltiplos de 12) y se pueden apilar para formar capacidades mayores. Patch Cord Están construidos con cable UTP de 4 pares flexible terminado en un conector 8P8C en cada punta de modo de permitir la conexión de los 4 pares en un conector RJ45. A menudo se proveen de distintos colores y con un dispositivo plástico que impide que se curven en la zona donde el cable se aplana al acometer al conector. Es muy importante utilizar PC certificados puesto que el hacerlos en obra no garantiza en modo alguno la certificación a Nivel 5.

Conector 8P8C Conector de 8 contactos, similar al conector americano RJ11 utilizado en telefonía, pero de más capacidad. Posee contactos bañados en oro. Cable Utp Flexible Igual al sólido, pero sus hilos interiores están constituidos por cables flexibles en lugar de alambres. Herramientas: Herramienta de Impacto: Es la misma que se utiliza con block de tipo 110 de la ATT. Posee un resorte que se puede graduar para dar distintas presiones de trabajo y sus puntas pueden ser cambiadas para permitir la conexión de otros blocks, tal como los 88 y S66 (Krone). En el caso del block 110, la herramienta es de doble acción: inserta y corta el cable. Herramienta de Crimpear: Es muy similar a la crimpeadora de los conectores americanos RJ11 pero permite conectores de mayor tamaño (8 posiciones). Al igual que ella permite: cortar el cable, pelarlo y apretar el conector para fijar los hilos flexibles del cable a los contactos. 110

Metrología Cortador y Pelador de Cables: Permite agilizar notablemente la tarea de pelado de vainas de los cables UTP, tanto sólidos como flexibles, así como el emparejado de los pares internos del mismo. No produce marcado de los cables, como es habitual cuando se utiliza el alicate o pinza de corte normal.

Probador Rápido de Cableado: Ideal para controlar los cableados (no para certificar) por parte del técnico instalador. De bajo costo y fácil manejo. Permite detectar fácilmente: cables cortados o en cortocircuito, cables corridos de posición, piernas invertidas, etc. Además viene provisto de accesorios para controlar cable coaxial (BNC) y Patch Cords (RJ45) Recomendaciones para la realización de la verificación. •

A medida que se avanza en el proceso de conexión es conveniente ejecutar pruebas en la red, con un probador rápido, verificar continuidad, cortocircuito, apareo y la correcta identificación de los cables.

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Una vez finalizado el proceso de conexión y la identificación del cableado, se debe ejecutar la prueba de rendimiento (la performance) esto es lo comúnmente llamado “verificación” o “certificación”.

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Estas mediciones se ejecutan con instrumentos específicos para este fin de diversas marcas y procedencias.

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Debido a lo preciso y costoso del instrumental es conveniente que esta tarea la ejecute siempre la misma persona; además con la experiencia podrá diagnosticar con bastante exactitud las causas de una eventual falla.

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Estos equipos permiten elegir a voluntad el parámetro a medir (longitud, wire map, atenuación, impedancia, next, etc.) o ejecutar una prueba general (autotest) que ejecuta todas las mediciones arrojando un resultado general de falla o aceptación. Asimismo estos resultados pueden grabarse en una memoria con identificación de cliente, Número de puesto, nombre del ejecutante y norma de medición. Esta memoria almacena entre 100 o 500 resultados según la marca del equipo, no obstante se aconseja copiar diariamente esta memoria para evitar la saturación de la misma o el borrado accidental de los datos.

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Para la tarea de medición es muy útil el uso de walkie talkies ya que debe variarse sucesivamente la ubicación del terminador o loop-back de puesto a puesto.

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Finalmente, debido al tiempo que insume la medición y a la disponibilidad relativa del instrumento, la experiencia indica la conveniencia de realizar las mediciones en forma ininterrumpida entre puesto y puesto sin detenerse en los resultados. Luego efectuar las reparaciones que fuesen necesarias y posteriormente volver a probar estos puestos fallados. 111

Metrología •

Probador de continuidad para cableado telefónico.

Para la verificación del rendimiento y el estado de las conexiones de una red telefónica se utilizan diversos instrumentos, cada uno de los cuales cumple con funciones específicas, el siguiente cuadro nos muestra algunos instrumentos característicos.

Equipos para verificar instalaciones telefónicas

Busca Pares. El busca hilos es utilizado por técnicos en todo el mundo. Permite identificar conductores individuales o cables en mazos, en puntos de cruce de conexión o en extremos alejados. El generador de tonos puede ser utilizado en cableados de par trenzado (telecom, datos,....), conductores individuales, cables coaxiales, cables de CA no activos o simplemente cualquier otro cableado que se pueda imaginar. 112

Metrología Multiprueba. Es un probador portátil para el mantenimiento y reparación del bucle del suscriptor. Caracteristicas Funcionales • • • •

Equipo de medida de reducido peso, pequeñas dimensiones y bajo consumo. Especialmente diseñado para la realización de pruebas específicas y convencionales, tanto sobre la línea telefónica como sobre los terminales conectados a la misma. Dispones de una conexión para microteléfono, pudiendo ser utilizado como terminal telefónico portátil decádico o multifrecuencia. Conexión a todo tipo de línea de abonado.

Realiza las siguientes pruebas: • • • • • •

Reconocimiento de marcación decádica y medida de sus parámetros. Detección de tonos multifrecuencia. Generación de corriente de llamada. Generación de impulsos de cómputo (50Hz, 12KHz y 16KHz). Simulación de batería local para prueba de aparatos telefónicos. Medida de los parámetros eléctricos de la línea y del aparato telefónico.

Gabinete de Pruebas para Telefonía. Permite a los técnicos de telefonía comprobar las condiciones de la línea (faltas) sin la ayuda de analizadores de prueba, ahorrando tiempo de trabajo en campo. Incorpora un indicador de aguja para realizar las mediciones. Características: • • • • • • • • • •

Resistencia de Aislamiento. Indica Faltas de Aislamiento y Derivaciones (estado-Tierra, línea abierta, línea-corto, capacidad) Marcado Tonos & Pulsos. Altavoz (un sentido) Llamada al suscriptor. Rellamada del último número Función Descolgado y Flash Función de monitor de Alta Impedancia Interruptor de Mute. Indicación continua de la polaridad mediante LED. Alimentación desde la línea con protección frente a voltajes elevados.

Localizador de Fallos en Pares. Es un instrumento de precisión que de forma rápida y sencilla, permite localizar averías encables de pares telefónicos. Mediante la selección del tipo de cable (pares o cuadretes), y sus características de capacidad o resistencia,el localizador indica la distancia a un fallo, cortocircuito o cruce. El localizador, a diferencia de un ecómetro, puede localizar fallos en cables pupinizados, no tiene zonas ciegas, y su rango de medida es de 0 m a 60 km, con 1 metro de resolución 113

Metrología DSP- Protección Servicios Digitales. El teléfono de pruebas está diseñado para funcionar de forma segura en situaciones en las que el cableado telefónico pueda transportar tráfico digital, alimentación de voltaje a electrónica remota o voltajes peligrosos resultantes de condiciones de falta o mal uso del cable. En modo OFF, al conectarse a un circuito, el terminal suena una alarma para avisar al usuario de la presencia de voltajes superiores a 75V CC (nominal). Estos voltajes están normalmente presentes en circuitos que transportan servicios digitales. Si el circuito está activo, el usuario puede seleccionar el modo MONITOR y escuchar el sonido para determinar si el circuito está transportando servicios digitales sin interrumpir el tráfico. Seleccionando el modo TALK se parará la señal de alarma y cerrará el bucle del circuito sin dañar el equipo. Si la señal de alarma persiste, indica que el voltaje en la línea es superior a 120V (nominal). En este caso no se cerrará el bucle de la línea evitando dañar el teléfono así como alertando al usuario de la presencia de voltajes peligrosos. Sonda Detectora de Señales Digitales. Sonda de bajo costo para detectar señales digitales en pares de cobre indicando mediante una alarma la presencia de tráfico digital (señales RDSI, xDSL, PCM...), sin intervenir o afectar en dicho tráfico. Los probadores no están diseñados para conectarse a entradas de teléfonos activas, sistemas telefónicos o equipos, incluidos dispositivos RDSI. La exposición prolongada a las tensiones que aplican estas interfaces puede dañar el probador. Conexión para pruebas de cableado Se debe conectar un adaptador de asignación de hilos o localizador de ID remoto al extremo del cableado para verificar completamente la asignación de hilos. Modos de conexión Conexión a un enlace de datos.

114

Metrología Conexión a una topología de bus

Conexión a una topología de estrella.

Conexión a un cableado coaxial

115

Metrología •

Inclinómetro.

Son dispositivos extremadamente sensibles, capaces de medir inclinación horizontal y vertical. Todos ellos funcionan como sistema servo de lazo cerrado. Algunas aplicaciones típicas son: Pendiente de carreteras, alineamiento de taladros/túneles, armamento, orientación de satélites, control de inclinación en trenes y en general aplicaciones que requieren gran precisión. Se pueden clasificar en: Inclinómetros inerciales. Sensores de tipo inercial, basados en un sistema de equilibrio de fuerzas que trabaja en lazo cerrado. Muy baja sensibilidad a aceleraciones transversales. Inclinómetros capacitivos. Sensores de tipo capacitivo, para dar la lectura deben estar sin movimiento. ServoInclinómetros. Son dispositivos inerciales de lazo cerrado extremadamente sensibles que miden inclinación vertical y horizontal con muy alta resolución. Generan una señal de salida de ±5 V o 4-20 mA, proporcional al rango de inclinación. Responden a cambios de sólo 0,1s de arco. Rangos disponibles: ±1º; 3º; 14,5º y 90º. Precisión hasta 0,02%. Histéresis inferior a 0,0005% del rango. Respuestas en frecuencia de 0,5 a 40Hz según modelos. Soportan choques de hasta 1500 g. Modelos disponibles para: propósito general; 2 ejes; tamaño reducido; de forma circular para instalar en taladros; para entornos agresivos y rangos de temperatura ampliados.

•

Posicionador Global GPS.

El departamento de Defensa de los Estados Unidos de América, ideó el Sistema de Posicionamiento Global o “GPS”: se basa en una constelación de 21 satélites que orbitan la Tierra a gran altitud. Se les puede considerar estrellas fabricadas por el hombre como sustituto de las estrellas tradicionalmente utilizadas para la navegación. Los satélites se encuentran a una altura suficiente para evitar los problemas con que tropiezan los sistemas con base en Tierra, y utilizan una tecnología lo suficientemente precisa como para definir posiciones exactas en cualquier lugar del mundo durante las 24 horas del día. 116

Metrología El GPS fue diseñado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos de América para simplificar la navegación de precisión. El GPS se basa en hallar la distancia desde los satélites: estos actúan como puntos de referencia precisa. Midiendo la distancia desde tres satélites podemos reducir a dos puntos en el espacio el lugar en que podemos encontrarnos: ¿cómo decidiremos cuál de estos dos puntos es la verdadera posición?. Podemos hacer una suposición. Generalmente uno de los dos puntos es una solución absurda. El punto incorrecto tal vez no estará cerca de la Tierra. O quizá estará dentro de la Tierra. Si estamos seguros de nuestra altitud, como los están los marinos (que saben que se encuentran al nivel del mar), podemos eliminar una de las mediciones de satélite , una de las esferas en nuestro dibujo puede ser sustituida por una esfera cuyo centro coincida con el de la Tierra. Algunos receptores pueden conmutarse para que funcionen en esta modalidad –2d- con la cual el cálculo de una posición puede ser más rápido y más preciso. Si quisiéramos ser absolutamente técnicos la trigonometría nos dice que necesitamos las distancias de cuatro satélites para situarnos sin ambigüedad. Pero en la práctica podemos arreglarnos con solo tres si rechazamos las soluciones absurdas. Dado que GPS se basa e conocer la distancia a que nos encontremos de los satélites en el espacio, necesitamos un método para averiguar lo alejados que estamos de esos satélites. El sistema GPS funciona midiendo el tiempo que tarda una señal de radio en llegar hasta nosotros desde un satélite y calculando luego la distancia a partir de ese tiempo. Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz 300 000 km por segundo. Así, si podemos averiguar exactamente cuándo lo recibimos, sabremos cuánto tardó la señal en llegar hasta nosotros. Nuestros relojes han de ser muy buenos respecto a cortos periodos de tiempo, pues la luz se mueve con tremenda rapidez. De hecho, si un satélite estuviera directamente sobre nosotros el mensaje radio solo tardaría 6/100 de segundo en llegar a nosotros. La mayoría de los receptores pueden medir el tiempo con una precisión de nanosegundos, es decir, de 0,0000000001 segundos. La clave de la medición del tiempo de transmisión de la señal radio consiste en averiguar exactamente cuando partió la señal del satélite. Para lograrlo los diseñadores del GPS tuvieron una idea: sincronizar los satélites y los receptores de manera que generen el mismo código exactamente a la misma hora. Luego lo que hay que hacer, es recibir los códigos desde un satélite y mirar retrospectivamente para ver cuánto hace que nuestro receptor generó el mismo código. La diferencia de tiempo será el tiempo que tardó en llegar hasta nosotros.

117

Metrología El sistema GPS no utiliza números: tanto los satélites como los receptores generan conjuntos de códigos digitales complejos. Estos códigos se han hecho complicados a propósito, de forma que se les pueda comparar fácilmente sin ambigüedades. Los códigos son tan complicados que su aspecto es el de una larga serie de impulsos aleatorios. Estos impulsos no son realmente aleatorios, sino que se trata de secuencias “pseudo-aleatorias” que en verdad se repiten cada milisegundo. Por ello es que a menudo se las conoce por el nombre de código “pseudo-aleatorio”. GPS diferencial, lo último en precisión El GPS es, con mucho, el sistema de navegación global más preciso que jamás se haya diseñado. Pero incluso su increíble precisión puede mejorase utilizando una técnica llamada “GPS diferencial”. Mediante esta técnica, el GPS consigue precisiones de medición mejores que un metro. Y esto está proporcionando al GPS algunas aplicaciones sorprendentes.

GPS para la topografía: Los topógrafos llevan ya algunos años utilizando el GPS para calcular sus posiciones hasta el último centímetro. Estas mediciones ultra-precisas se basan generalmente en al menos quince minutos de recopilación de datos GPS en una localización estacionaria con un conocimiento preciso de la coordenada del punto de referencia o “mojón” y en el uso de un complejo panorama de ordenador. Un topógrafo sencillamente se desplaza a cada punto en el asentamiento que desea destacar y pulsa un botón. El receptor GPS registra instantáneamente la exacta localización de la estación. El secreto para conseguir precisiones como estas se basa en la idea de que si nosotros estacionamos un receptor GPS en Tierra, en una localización conocida, se puede utilizar este para averiguar exactamente que errores contienen los datos de los satélites. Actúa como un punto de referencia estático. Selección de un receptor GPS El GPS será pronto una utilidad básica. La adquisición del equipo correcto requiere un cuidadoso análisis de la forma en que se utilizará el receptor, que tipo de información necesitará del mismo y qué le permitirá su presupuesto. Algunas de las cuestiones que deben considerarse: ¿Necesita medir con precisión su velocidad, como por ejemplo evaluar el comportamiento de un yate de regata? ¿Es la economía más importante que la precisión? ¿Es el consumo de energía un factor importante? ¿Tendrá que funcionar el receptor 118

Metrología en condiciones altamente dinámicas, experimentando aceleraciones y altas velocidades? Los dos grandes grupos de receptores son aquellos que pueden seguir simultáneamente cuatro o más satélites y aquellos que conmutan secuencialmante de uno a otro satélite. Y dentro de cada categoría existe una cierta variedad de subespecies: •

Receptores de seguimiento en secuencia. Para calcular con precisión, los receptores GPS deben recibir información de al menos cuatro satélites. Los receptores de seguimiento en secuencia emplean un solo canal que desplazan de un satélite al siguiente para reunir sus datos. Tienen menos circuitos, así que son más económicos y consumen menos energía, pero el seguimiento en secuencia puede interrumpir el posicionamiento y limitar su precisión general.

•

Receptores de canal simple de escasa energía: Se han diseñado con vistas a su potabilidad y por ello se alimentan con pequeñas pilas. Para limitar el consumo de energía solo pueden tomar una lectura de posición una o dos veces por minuto y se apagan entre tanto. Para aplicaciones como posicionador personal para alpinistas o para la navegación en barcos pequeños sin batería constituyen el compromiso perfecto. Su desventaja reside en su degradada precisión, la limitación de su interfaz y su inhabilidad para medir la velocidad con precisión

•

Receptores de un solo canal: Estos sistemas utilizan un solo canal para efectuar todas las mediciones a los satélites. Pero, por el contrario que los anteriores, el receptor de canal simple estándar no tiene su energía limitada y, por lo tanto, está activado continuamente. Son un poco mas precisos y pueden medir la velocidad siempre que no haya variaciones de rumbo o aceleraciones significativas. Puesto que su único canal debe utilizarse para recibir los mensajes de datos de los satélites, así como para realizar los cálculos de distancia, no pueden emplearse para el posicionamiento continuo.

•

Receptores multiplexores rápidos y de canal simple: Este diseño es similar al de los lentos receptores de un solo canal y seguimiento en secuencia antes mencionados, pero estos receptores pasan de un satélite a otro mucho más rápidamente. Realizan realmente mediciones de distancia mientras controlan también un mensaje de datos del satélite. Es menos sensible a la imprecisión de reloj. Esta solución requiere unos circuitos más complejos, por lo que acaban costando más que un receptor de seguimiento en secuencia de dos canales que es más flexible y más preciso.

•

Receptores de seguimiento en secuencia de dos canales: Al añadir un segundo canal se incrementan significativamente sus posibilidades. Por una parte ello duplica inmediatamente la razón señal y ruido inherente al sistema. Eso significa que puedo enlazar con señales en condiciones más adversas y enlazar con satélites mas próximos al horizonte. Puesto que uno de los canales se dedica a controlar continuamente los datos de posicionamiento mientras el otro se ocupa de la adquisición del siguiente satélite, un receptor de dos canales nunca tiene que interrumpir sus funciones de navegación.

•

Receptores continuos: Son receptores que pueden controlar simultáneamente cuatro o más satélites dando instantáneamente los valores de posición y velocidad. Esto resulta valioso en aplicaciones altamente dinámicas o de gran precisión, por lo cual se utilizan a menudo en tareas topográficas y científicas. En lugar de basarse en el cálculo de cuáles son los cuatro satélites mejor situados para la fijación más precisa, algunos de estos sistemas siguen a todos los satélites a la vista. Naturalmente, los inconvenientes de estos tipos de sistemas son su tamaño, su coste y su consumo de energía. 119

Metrología 2.5 Instrumentos de medición hidráulicos, neumáticos, térmicos y mecánicos. Los instrumentos que se utilizan para medir presión son: •

Manómetro. Es el nombre genérico de los instrumentos que miden presión. Generalmente se usa para designar a los instrumentos que miden presión arriba de la presión atmosférica.

•

Vacuómetro. Es el instrumento que mide presión por abajo de la presión atmosférica, ya sea presión negativa o presión absoluta.

•

Barómetro. Es un instrumento que mide presión atmosférica o barométrica.

•

Manovacuómetro. Son los instrumentos que pueden medir presión negativa (vacío) y presión positiva (relativa o manométrica).

•

Manómetro diferencial. Instrumento que se utiliza para medir la presión diferencial.

•

Termómetros, los cuales se clasifican en:

• • • • • • •

Termómetros de gas a volumen constante Termómetros de resistencia de platino Termopares Termómetros de líquido en vidrio Termómetros bimetálicos Termistores Pirómetros

• •

Tacómetro Torquímetro

2.6 Manejo de instrumentos de medición hidráulicos, neumáticos, térmicos y mecánicos. •

Manómetro.

Los manómetros se clasifican por: a) El tipo del elemento sensor elástico en: • • • • • •

Bourdón C Bourdón helicoidal Bourdón espiral Diafragma FueIle Cápsula

b) Por la clase de exactitud, en las siguientes series:

Serie A

0,25 0,4 0,6

1

Serie B

0,2

2

120

0,5

1

1,6 2,5 5

4

Metrología Tabla 1 Las especificaciones que deben satisfacer los manómetros están determinadas en la norma oficial mexicana PROY-NOM-013-SCFI-2002, y las cuales son: Especificaciones Alcance de medición Se deben elegir los límites superiores del alcance de medición de una de las siguientes series:

Serie A

1×10n

1,6×10n

2,5×10n

Serie B

1×10n

2×10n

5×10n

4×10n 6×10n Unidades de Presión

Donde n es un número entero positivo, negativo, o cero. Condiciones estimadas de operación Las condiciones estimadas de operación (temperatura ambiente, humedad del aire, contenido de polvo, niveles de vibración y golpe, propiedades físicas y químicas del fluido a medir, y otros) deben ser indicados en la documentación técnica otorgada por el fabricante. Error máximo permisible en la verificación 1.- El error máximo permisible, incluyendo la histéresis, es: a) ± 0,8 A, para instrumentos nuevos o reparados. b) ± A, para instrumentos en servicio. En donde A es numéricamente igual al índice de la clase de exactitud (Tabla 1), expresado:  Como un porcentaje del límite superior del alcance de medición, para instrumentos con escala unilateral.  Como un porcentaje del intervalo de medición para los manovacuómetros. 2.- Los instrumentos deben cumplir con los requerimientos del punto anterior bajo las siguientes condiciones: a) Los instrumentos se deben instalar en posición normal; b) La variación de presión debe ser lenta y continua, para poder suprimir el efecto de la fuerza de inercia; c) La temperatura de los instrumentos y la del aire ambiente deben ser igual a 293,16 K (20°C) con una desviación que no conduzca a una variación de indicación mayor a 1/5 del error máximo permisible del instrumento. Cuando el patrón ha sido calibrado a otra temperatura, es conveniente realizar la calibración a la temperatura de calibración del patrón. d) La humedad relativa no debe exceder de 80%; e) Debe haber ausencia de vibraciones y golpes o, en caso de que se presenten, no deben alcanzar 121

Metrología un valor que provoque la oscilación del índice con una amplitud mayor a 1/10 de la longitud de la división más pequeña de la escala; f) Verificar que el extremo del acoplamiento del instrumento está en el mismo plano horizontal que el instrumento patrón, si no se cumple con este requerimiento, se debe tomar en cuenta la presión resultante de la columna del fluido manométrico; Nota: Para producir la presión en el momento de la verificación se puede usar cualquier medio (gas o líquido) en instrumentos que no presenten un cambio de indicación mayor a 1/5 del error máximo permisible, al cambiar de gas a líquido o viceversa. 3.- Si se ha verificado el instrumento bajo condiciones diferentes a las condiciones de referencia especificadas en el punto 2, la verificación del instrumento, de conformidad con los requerimientos del punto 1, se lleva a cabo bajo estas condiciones nominales, y las condiciones de referencia que no causen una variación de indicación que exceda 1/5 del error máximo permisible. Variación de indicación bajo condiciones de operación establecidas. 4.- La variación de indicación de los instrumentos, debido a variación de temperatura, no debe exceder de: ± ### (t2-t1); % En donde: t1 es la temperatura de referencia especificada en (2 c). t2 es la temperatura ambiente del aire; ### es el coeficiente de expansión térmica especificado por el fabricante en porciento por cada grado Celsius. Nota: En caso de no contar con valores de los coeficientes se usará una corrección de 0,1% por cada 3 K (3°C) de diferencia de temperatura (### = 0,033 K-1). 5.- Bajo los efectos de vibraciones dentro de los límites especificados en (2), la variación de indicación y la amplitud de oscilación del indicador no deben exceder 1/10 del error máximo permisible, indicado en 3 e. 6.- Constancia de las indicaciones en servicio La constancia de las cualidades técnicas y metrológicas de los instrumentos en servicio, deben cumplir con 6.1, 6.2 y 6.3. 6.1 Los manómetros de presión y los manovacuómetros deben soportar un exceso de presión: a) Igual al límite superior del alcance de medición, durante seis horas. b) Excediendo el límite superior del alcance de medición por un valor ###p durante 15 minutos como se muestra en la siguiente tabla:

Límite superior de alcance de medición ###P como % de límite superior del MPa alcance de medición hasta 60, inclusive 15 de 60 a 1 000 5 122

Metrología Al terminar esta prueba y cuando haya pasado más de una hora sin que el instrumento haya estado sujeto a presión, se deberá cumplir con los requisitos del error intrínseco. 6.2 Los instrumentos deben soportar una presión variable continua, con una frecuencia que no exceda de 1 Hz entre los límites de medición por un total de ciclos como se indica en la siguiente tabla:

L (MPa) 0,05 < L < 10 10,0 < L < 60 60,0 < L < 160 160,0 < L < 1 000

LÍMITES DE VARIACIÓN DE PRESIÓN (0% L) 30-70 40-60 40-60 40-60

NUM. DE CICLOS 15 000 10 000 5 000 1 000

6.3 Los instrumentos deben ser transportados en empaques que aseguren que sus características metrológicas se mantengan. Cuando es necesario verificar el efecto de condiciones de transporte, los instrumentos empacados deben ser sometidos a: a) Una temperatura de aire ambiente de 253 K (-20°C) o en casos especiales 223 K (-50°C) y 323 K (+ 50°C) durante seis horas en cada una de estas temperaturas. b) Sometidos a una aceleración de 30 m/s2 y una frecuencia de 80 a 120 golpes por minuto durante dos horas. Después de realizar estas pruebas, los instrumentos deben cumplir con 1. 7.- Requisitos de los dispositivos indicadores. La numeración de la carátula y de la unidad marcada en ella debe dar directamente el valor de la presión medida, sin tener que aplicar un factor de corrección. 7.1 Aguja indicadora 7.1.1 La punta de la aguja indicadora debe cubrir de 1/10 a 9/10 de la longitud de las líneas más cortas de la graduación. Nota: Este requisito no se aplica a instrumentos con la escala y aguja indicadora en el mismo plano y aquellos que tengan una lectura de error que no exceda 1/5 del error máximo permisible. 7.1.2 En el punto de lectura, la punta de la aguja indicadora debe ser: - Para instrumentos de clase de exactitud 1; 1,6; 2,5; y 4 en la forma de un triángulo isósceles cuya base no exceda el máximo espesor de la graduación y cuyo ángulo ápice no exceda de 60°. - Para instrumentos de exactitud de 0,25; 0,4 y 0,6 en forma de una hoja perpendicular al plano de la escala, cuyo espesor no exceda a la graduación más delgada. Notas: Otras formas están autorizadas para la punta de la aguja indicadora, previendo que el error de lectura no exceda 1/5 del error máximo permisible. 7.1.3 Los instrumentos pueden ser provistos con un dispositivo para ajustar las indicaciones, que alteren la posición de la aguja indicadora con relación a la escala. 8.- Escala de presión 8.1 Se debe elegir la división de la escala de presión entre las series: 1 x 10n 2 x 10n 5 x 10n Unidades de Presión.

123

Metrología en donde n es un número entero positivo o negativo, o igual a cero, y debe estar cercano al valor del error máximo permisible (véase 1.b.). 8.2 El espaciado de la escala no deberá ser menor de 1 mm. 8.3 Para las escalas lineales el espaciado de la escala debe ser lo más constante posible; la diferencia del espaciado entre la división más larga y la división más corta de la escala no debe exceder 1/5 de la longitud de la división más corta. 8.4 El espesor de las marcas de la escala no debe exceder 1/5 de la longitud de la división mínima de la escala. 8.5 La numeración de la escala está sujeta a los requisitos especificados en las normas nacionales. 8.6 El instrumento puede tener signos complementarios o líneas de un espesor que no exceda lo especificado en 8.4 para: - Indicar los límites normales del alcance de medición; - Tomar en cuenta la presión suplementaria creada por la columna del fluido manométrico que esté transmitiendo la presión hacia el elemento sensor elástico; - Permitir una lectura aproximada a distancia. 9.- Controles metrológicos. Estos instrumentos deben de obtener antes de su comercialización: a) Aprobación de modelo o prototipo; b) Verificación inicial de los instrumentos nuevos o reparados; c) Verificación y calibración periódica de los instrumentos en servicio. La evaluación del patrón para cada tipo de instrumento, producido por cada fabricante, se lleva a cabo de acuerdo con las características metrológicas del patrón, con todos los requisitos de la Norma NOM-013-SCFI-2002 y con las de las normas de referencia. Se somete a los instrumentos, de manera individual, a las verificaciones iniciales y periódicas. La elección de las características por verificarse deben ser limitadas, y los métodos de control deben ser lo más sencillos posible; deberán ser suficientes para reconocer el estado satisfactorio del instrumento de medición.

•

Termómetro

Aún cuando la temperatura es una de las siete magnitudes base del Sistema Internacional de Unidades (SI), con la que tenemos más experiencia cotidiana, ya que podemos percibir la diferencia de temperaturas entre objetos, es una magnitud que resulta difícil de definir y entender. Todos podemos hacer afirmaciones como que “este objeto es más caliente o frío que este otro”, pero esta afirmación aparentemente simple puede tener dificultades, por ejemplo, podríamos tener un bloque de madera, un trozo de polietileno estirado y una varilla de cobre, todos ellos aproximadamente a la temperatura ambiente, pero con ligeras diferencias de temperatura entre ellos, y tendríamos dificultades para afirmar cual de ellos está más caliente o más frío. Esto se debe fundamentalmente a que la mano es un termómetro muy pobre. Otro concepto muy relacionado a la temperatura y que frecuentemente se confunde con ella es el Calor. Por experiencia, sabemos que hay substancias que requieren una mayor cantidad de energía 124

Metrología que otras para elevar su temperatura, comprender porque es así es un proceso muy complicado. Aún así, podemos partir de nuestra experiencia para hacer un pequeño número de afirmaciones sobre el comportamiento térmico de la materia. Entonces enunciamos las siguientes definiciones: La Temperatura de una sustancia está determinada por la energía cinética media de sus moléculas. Se define a la temperatura de un cuerpo o sistema como aquella propiedad que determina cuando el sistema se encuentra en equilibrio térmico con otros sistemas. Calor: Es la forma de energía que intercambian dos cuerpos con diferentes temperaturas, puestos en contacto térmico. Durante la transmisión de calor, un cuerpo puede variar su temperatura, o pasar a otro estado físico, o ambas cosas a la vez. El calor se transmite por: conducción, convección y radiación. Si la energía térmica fluye de un cuerpo a otro que lo toca, el primer cuerpo está a mayor temperatura que el segundo. Esta afirmación define una diferencia de temperatura.

El calor fluye del cuerpo A al cuerpo B. Los dos sólidos A y B tienen el mismo número y la misma clase de moléculas, pero las moléculas de A tienen mayor energía cinética. La diferencia de temperatura proviene de la diferencia de energía cinética promedio. El calor se transmite de izquierda a derecha cuando las moléculas de A chocan con las de B.

. La temperatura del cuerpo A es mayor que la del cuerpo B.

125

Metrología Aunque el material A es un gas con menos moléculas que el sólido B, está a temperatura más alta debido a que sus moléculas tienen, en promedio, una mayor energía cinética. Cuando una molécula gaseosa de gran energía pega en una de poca energía del sólido, transmite calor al sólido.

. El gas A, transmite calor al sólido B La llamada Ley Cero de la Termodinámica nos permite establecer las condiciones para medir temperatura y establecer una Escala de Temperaturas.

Establecer una escala de temperaturas consiste en adoptar un conjunto de reglas para asignarles un valor numérico a la temperatura de diferentes estados de equilibrio de un sistema de referencia (Sistema C), al cual se le llama termómetro. Entonces se asigna el mismo número para la temperatura de cualquier sistema que se encuentre en equilibrio con el termómetro. El 1 de enero de 1990 entró en vigor la Escala Internacional de Temperaturas de 1990 (ITS-90) y fue la quinta escala de temperaturas que adoptó el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM), la primera de ellas fue la Escala normal de hidrógeno de 1887. La ITS-90 substituyó a la IPTS-68 y EPT-76. A continuación damos un resumen de la ITS-90. La escala internacional de temperatura de 1990 eit-90 se basa en: 126

Metrología 1) La asignación de valores de la temperatura a 17 estados de equilibrio termodinámico (Puntos Fijos) de 15 substancias puras. 2) La adopción de Instrumentos Patrón calibrados a las temperaturas de los estados de equilibrio indicados en el inciso anterior. 3) La definición de Ecuaciones de Interpolación que relacionan las indicaciones de los instrumentos patrón con las temperaturas de la escala.

Para entender la estructura de la ITS-90, requerimos de comprender el comportamiento térmico de la materia. Sabemos que la materia se puede encontrar en uno de cuatro estados posibles, a saber: estado sólido, estado líquido, estado gaseoso y estado de plasma. Cuando la materia cambia de un estado a otro, decimos que ha cambiado de fase. Tomemos por ejemplo el agua, sabemos que si el agua pura tiene una temperatura por debajo de los 0 oC, se encuentra en estado sólido (hielo).

Si le transferimos energía (podemos colocarla en un recipiente sobre una estufa), irá aumentando 127

Metrología su temperatura, pero al llegar a los 0 oC, empezará a fundirse hasta que toda el agua pasa al estado líquido, pero mientras dura la transición de fase, su temperatura no variará, toda la energía suministrada, se consumirá en el cambio de fase, decimos que la substancia ha ganado energía interna pero no aumentó su temperatura, es decir que las moléculas ganaron energía potencial pero no energía cinética, esta energía ganada se llama Calor Latente de Fusión.

Una vez que se ha alcanzado la fase líquida en su totalidad, se empieza a incrementar la temperatura del agua hasta los 100 oC, temperatura a la que inicia una nueva transición de fase, de la fase líquida a la fase vapor, repitiéndose el proceso anterior, mientras coexistan las dos fases, no hay aumento de temperatura, toda la energía se convierte en energía potencial de las moléculas, aumenta la energía interna, a esa energía ganada se le conoce como Calor Latente de Evaporación.

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Metrología

Utilizando esta propiedad de la materia, se construye la ITS-90, se fabrican 17 celdas de 15 substancias puras, se les lleva a temperaturas donde se manifiesta una transición de fase y se definen esas temperaturas. El punto de referencia más importante es el Punto Triple del Agua, al cual se le asigna una temperatura de 0,01 oC (273,16 K), este punto es donde coexisten las tres fase del agua: la fase sólida, la fase líquida y la fase gaseosa. También se definen los llamados instrumentos de interpolación, que son los instrumentos con los que se realizarán las mediciones, los cuales se presentan en la siguiente tabla:

Intervalos Instrumentos de Interpolación 0,65 K a 5,0 K Relación temperatura-presión de He 3 K a 24,5561 K Termómetro de Gas de He 13,8033 K a 961,78 °C Termómetro de Resistencia de Platino 961,78 °C a >>>> Ley de radiación de Planck Para la realización práctica de la medición de temperatura se utilizan instrumentos de diversos tipos, el método de medición consiste en utilizar una propiedad de los materiales que cambie con la temperatura, a esta propiedad se le llama Propiedad Termométrica, y a aprtir de su comportamiento en función de la temperatura, le podemos asignar valores y utilizarlo como instrumento de medición de la temperatura, algunos de los más usados se muestran en la siguiente tabla:

Termómetro Gas ideal a V cte. Gas ideal a P cte. Líquido en vidrio Bimetálico Alambre de Pt Termopar Paramagnético Radiación de cuerpo negro (Pirómetro Óptico)

Propiedad Termométrica Presión Volumen Altura de la columna de líquido Diferencia de expansión de dos sólidos Resistencia eléctrica Fuerza electromotriz Susceptibilidad Radiancia espectral

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Metrología Termómetros de Resistencia de Platino. Están constituidos por una resistencia fabricada de Platino de alta pureza, estos resistores tienen la característica de que su valor cambia cuando cambia la temperatura, es decir que su propiedad termométrica es la resistencia eléctrica, por lo tanto, siempre se conectan estos termómetros a un multímetro o a un puente de resistencias y a través de las ecuaciones de interpolación, asignar un valor de temperatura a la resistencia medida. Los termómetros de resistencia de Platino se utilizan en una gran variedad de aplicaciones en las que se requieren altas exactitudes en la medición de temperatura. En el mercado existen multímetros digitales que utilizan como sensor una resistencia de Platino, e internamente hacen el cálculo de la temperatura a través de la resistencia medida y en la pantalla nos dan un valor de temperatura.

Figura. Termómetro de Resistencia de Platino Si se tiene un multímetro, éste hace circular una corriente de unos cuantos miliampere a través de la resistencia de Platino, se mide la diferencia de potencial o voltaje a través de la resistencia, y utilizando la ley de Ohm, se calcula el valor de la resistencia a la temperatura que se está midiendo. Si se utiliza un puente de resistencia, este hace circular una corriente de unos cuantos miliampere a través de la resistencia de Platino y compara su valor con una resistencia interna de valor bien determinado (típicamente la resistencia interna es de 100 Ω), en la pantalla nos muestra el cociente de la resistencia de Platino entre la resistencia interna, y a través de las ecuaciones de interpolación de la EIT-90 podemos calcular el valor de la temperatura. Los Termómetros de Resistencia de Platino se pueden clasificar en: -

Termómetros de resistencia de platino criogénicos (Cápsula). Intervalo de Operación: 13,8 K a 273, 16 K Exactitud: 1 mK Resistencia Nominal: R(0,01 °C) = 25 Ohms Sensibilidad ΔR/ΔT = 0,1 Ohm/°C Descripción: El sensor se encapsula en un tubo de platino y se usa He como gas de llenado. Se emplean a inmersión total.

-

Termómetros de resistencia de platino de tallo largo. Intervalo de Operación: 84 K a 660 °C Exactitud: 1 mK

130

Metrología Descripcion: Alambre de 0,07 mm de diámetro. Soporte: mica, cuarzo y zafiro. El sensor se encapsula en tubos de sílica, acero o inconel con aire seco en su interior. Funda: Cuarzo, inconel. -

Termómetros de resistencia de platino para altas temperaturas. Intervalo de Operación: 0 °C a 962 °C Resistencia nominal: R(0,01 °C) = 2,5 Ohm Sensibilidad ΔR/ΔT = 0,01 Ohm/°C R(0,01 °C) = 0,25 Ohm Sensibilidad ΔR/ΔT = 0,001 Ohm/°C Exactitud: 1 mK Problemas en altas temperaturas: Limpieza del medio Contaminación por metales pesados Fugas eléctricas

-

Termómetros de resistencia de Platino Industriales (TRPI) Intervalo de Operación: 13,8 K a 962 °C Tolerancias: 0,1 °C a 2 °C Exactitudes Nominales: 25 mK a 10 mK Estabilidad (En ciclos térmicos): -200 °C a 230°C diferencias de 15 y 50 mK en el Punto Triple del Agua. -200 °C a 600°C diferencias hasta de 0,6 K en el Punto Triple del Agua.

Termopares. El intervalo de medición de temperatura para los termopares es muy amplio. Los termopares siguen siendo uno de los principales instrumentos para medir la temperatura en diversas ramas de la industria, sobre todo aquellas que requieren de la medición de altas temperaturas, tales como la industria siderúrgica, la industria petroquímica, etc. Debido a los avances en la electrónica, la termometría de resistencia de Platino ha ido superando en su uso a la termometría de termopares, ya que el principio de operación de estos instrumentos hace que las mediciones con termómetros de resistencia de Platino sean cada vez más extensas. El principio de operación de un termopar es un tanto complicado, y por lo tanto daremos una descripción simplificada. Si unimos dos alambres de distintos materiales para formar un circuito cerrado, es decir, unimos los dos alambres por sus extremos y cada termounión la sumergimos en medios a diferentes temperaturas, entonces aparecerá un fuerza electromotriz (FEM) en el circuito, por lo tanto podremos medir ese pequeño voltaje. La intensidad de la FEM dependerá del gradiente de temperaturas (la diferencia de temperaturas) entre las termouniones, entonces, si tenemos un gradiente grande, habrá una FEM grande, si el gradiente es pequeño, habrá una FEM pequeña. Este es conocido como el Efecto Seebeck. Por lo tanto, un termopar se puede utilizar como termómetro. 131

Metrología

Figura. Representación de un Termopar Leyes Prácticas de los Termopares I. Ley de Circuitos Homogéneos. No habrá variación de temperatura que produzca un voltaje neto en un circuito homogéneo. Los cambios en el área de la sección transversal y en la distribución de temperatura no tienen efecto. Cualquier voltaje que aparezca, como resultado de la variación de temperatura en un alambre que se supuso homogéneo, es evidencia de que en realidad el alambre es inhomogéneo.

II. Ley de Conductores Intermedios a Temperatura Constante. Esta ley fundamental establece que no importa cuantos conductores diferentes estén en contacto, no aparecerá un voltaje neto si la temperatura de todas las uniones es la misma. Esto es una consecuencia de la segunda ley de la Termodinámica, ya que, si tal potencial existiera, podría extraerse trabajo sin una diferencia de temperatura.

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Metrología III. Ley de Temperaturas Sucesivas. Esta ley fundamental establece que el voltaje Seebeck desde una temperatura menor a una temperatura superior es igual a la suma del voltaje Seebeck desde una temperatura menor a cualquier temperatura intermedia y el voltaje Seebeck desde esa temperatura intermedia a la temperatura superior. Esta es una ley muy importante porque puede utilizarse para compensar cambios en los potenciales en las juntas de referencia.

Funcionamiento de un Termopar. Para medir la temperatura con un termopar, requerimos que una de las uniones se introduzca en el medio al cual se le pretende medir su temperatura. La otra unión debe sumergirse en un baño cuya temperatura será la temperatura de referencia. Por convención, la temperatura de referencia debe ser la del hielo fundente, es decir 0 oC. En realidad, en el hielo se sumergen dos uniones, ya que a uno de los alambres se le debe conectar cables de extensión para poder medir la FEM.

En el mercado existen multímetros digitales que compensan de manera automática la temperatura de referencia, es decir, el multímetro tiene un dispositivo que mide la temperatura ambiente y compensa el valor de esa temperatura con el valor de 0 oC. Esto hace que no se requiera preparar un baño de hielo para utilizar termopares, aunque se pierde exactitud en la medición.

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Metrología En el mercado existen diversos tipos de termopares estándar y se identifican por letras y por código de colores, en la tabla se muestran los tipos de termopares que se utilizan más comúnmente en la industria.

Letra

Alambre positivo

Alambre negativo

B

Pt70Rh30

Pt94Rh6

E

Ni90Cr10

Ni45Cu55

J

Fe

Ni45Cu55

K

Ni90Cr10

Ni95Mn2Al2Si1

N

Ni84,5Cr14,2Si1,4

Ni95,5Si4,5Mg0,1

R

Pt87Rh13

Pt

S

Pt90Rh10

Pt

T

Cu

Ni45Cu55

Termómetros de Líquido en Vidrio. Los Termómetros de Líquido en Vidrio fueron uno de los primeros tipos de termómetros que se conocieron y su uso ha dominado las mediciones de temperatura por casi 200 años. Aún cuando en la actualidad se han desarrollado diversos tipos de termómetros, éstos aún siguen vigentes y son de gran utilidad en la industria. Cubren un amplio intervalo de temperatura (-200 a 550 oC) son relativamente baratos y se distinguen de otros tipos de termómetros por no requerir de instrumentos adicionales para la medición de la temperatura. El líquido comúnmente usado para este tipo de termómetro es el mercurio. El principio de operación de un termómetro de líquido en vidrio es muy simple, consiste en que el líquido se dilata o contrae cuando la temperatura cambia, entonces, si se encierra en un capilar muy delgado, sólo bastará considerar el cambio en la longitud de la columna y se puede despreciar el cambio en el área transversal. 27

26

25

Descripción del termómetro: Bulbo: Parte más importante del termómetro porque actúa como sensor térmico y contiene la mayor parte del líquido termométrico. 134

Metrología Vástago: Capilar de vidrio en donde se encuentra grabada la escala y por lo tanto permite observar los cambios producidos en el volumen del líquido al variar la temperatura. Líquido termométrico: El líquido comúnmente utilizado es el mercurio, éste cubre del intervalo de -35 a 550 oC. Para temperaturas más bajas se utilizan líquidos orgánicos con los que se alcanzan temperaturas hasta -200 oC. Escala: Contiene la graduación que nos permitirá saber tanto la temperatura que estamos midiendo como el intervalo total en el que se debe usar el termómetro. Algunos termómetros tienen escala principal y auxiliar. Cámara de expansión: Es una ampliación al final del capilar y sirve para proteger al termómetro de un sobrecalentamiento, la forma de esta cámara permite que el líquido resbale y no quede atrapado en ella. Cámara de contracción: Es una ampliación en el capilar y sirve para hacer más pequeña la longitud del termómetro evitando así que todo el líquido se contraiga en el bulbo.

Los termómetros se pueden clasificar por la forma en que se usan para medir: a) Inmersión Parcial. El termómetro sólo se introduce en el medio hasta la línea de inmersión. b) Inmersión Total. El termómetro se introduce en el medio hasta que el menisco quede al ras del fluido. c) Inmersión completa. El termómetro se sumerge completamente en el medio.

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Metrología

Propiedades de los Líquidos Termométricos. Los líquidos termométricos son substancias cuyas propiedades físicas y químicas son adecuadas para usarse en los termómetros de líquido en vidrio, es decir, que el líquido posee las siguientes características: • Cubra un amplio intervalo de temperatura. • Coeficiente de expansión diferencial sea lineal. • Opaco. • Químicamente estable • Que no se a tóxico • Que no moje las paredes del capilar Los líquidos termométricos más comunes son:

Líquido Mercurio Etanol Tolueno Pentanol

Coeficiente de expansión aparente (°C -1 ) 0,00016 0,00104 0,00103 0,00145

Intervalo aproximado de temperatura (°C) -35 a 550 -80 a 60 -80 a 100 -200 a 30

Usos Cuidados y Advertencias: Debido a que los termómetros de líquido en vidrio son instrumentos muy frágiles, se deben seguir ciertos cuidados, tanto para su uso como para su traslado: Para el traslado envolverlos en un material blando con el fin de amortiguar los golpes, evitando también que se separe la columna o se formen burbujas en el bulbo. Mantenerse en posición vertical para evitar la separación de la columna principal. Esperar un tiempo llamado de respuesta de 10 a 15 minutos, es decir dar tiempo a que el termómetro llegue al equilibrio térmico con el medio. Los termómetros cuyo líquido termométrico sea orgánico no deben ser expuestos a la radiación solar, para evitar cambios en las propiedades físico-químicas del líquido. Si el líquido termométrico es mercurio: En el caso de ruptura, el mercurio debe ser recogido y depositado en una campana de extracción 136

Metrología para evitar la contaminación del ambiente por los vapores tóxicos así como también los restos del termómetro. No someterlo a sobrecalentamiento porque éste provocará un daño irreversible al líquido termométrico y aumentará la presión de tal forma que se rompa el termómetro. Antes de hacer la calibración de un termómetro o antes de usarlo por primera vez, es necesario hacerle una inspección visual con un microscopio o lupa con un aumento suficiente para verificar si el termómetro está en óptimas condiciones para ser utilizado y no presenta efectos de: • • • • • • • •

Columna separada Burbujas de aire en el bulbo Presencia de un material extraño en el capilar Graduación defectuosa Oxidación de líquido termométrico Deformación del capilar Líquido presente en la cámara de contracción Gotas de líquido termométrico adheridas en las paredes del capilar.

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26

26

25

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1.Columna separada

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2. Gotas de líquido en el capilar

3. Oxidación

La temperatura del acero al rojo se puede medir mediante un pirómetro de radiación (el instrumento cilíndrico con cables, que vemos a la derecha. Se enfoca la radiación térmica en un par térmico, donde se genera una corriente eléctrica que se registra en un amperímetro graduado para medir en él directamente las temperaturas. Pirómetros.

Un pirómetro en un instrumento utilizado para medir, por medios eléctricos, elevadas temperaturas por encima del alcance de los termómetros de mercurio. Este término abarca a los pirómetros ópticos, de radiación, de resistencia y termoeléctricos. Nos vamos a centrar en los pirómetros de radiación y en los pirómetros ópticos. 137

Metrología Los pirómetros de radiación se fundan en la ley de Stefan - Boltzman y se destinan a medir elevadas temperaturas, por encima de 1600 °C mientras que los pirómetros ópticos se fundan en la ley de distribución de la radiación térmica de Wien y con ellos se han definido puntos por encima de 1063 °C en la Escala Internacional de Temperaturas. Las medidas pirométricas, exactas y cómodas, se amplían cada vez más, incluso para temperaturas relativamente bajas (del orden de 800 °C) La temperatura del acero al rojo se puede medir mediante un pirómetro de radiación (el instrumento cilíndrico con cables, que vemos a la derecha. Se enfoca la radiación térmica en un par térmico, donde se genera una corriente eléctrica que se registra en un amperímetro graduado para medir en él directamente las temperaturas.

Pirómetros de Radiación Los pirómetros de radiación se fundamentan en la ley de Stefan - Boltzman que dice que la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir W = T4

donde •

W (potencia emitida) es el flujo radiante por unidad de área,

•

es la constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es 5.67 10-8 W / m2 K4) y

•

T es la temperatura en Kelvin

Si el cuerpo radiante de área A está dentro de un recinto cerrado que está a la temperatura To, su pérdida neta de energía por segundo, por radiación está dada por: U = A (T4 - To4) La ley de Stefan fue establecida primeramente en forma experimental por Stefan en 1879; Boltzman proporcionó su demostración termodinámica en 1884.

Gráfico de la energía radiante de un cuerpo a varias temperaturas en función de la longitud de onda (12 micras para la lente de fluoruro de calcio). En ordenadas se representa el porcentaje de energía radiante y en abcisas la longitud de onda en micras. 138

Metrología Desde el punto de vista de la medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde las 0.1 micras para las radiaciones ultravioletas, hasta las 12 micras para las radiaciones infrarrojas. La radiación visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda de 0.45 micras para el valor violeta, hasta las 0.70 micras para el rojo. Estructura de los Pirómetros de Radiación Los pirómetros de radiación para uso industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces se han construido de diversas formas. El medio de enfocar la radiación que le llega puede ser una lente o un espejo cóncavo; el instrumento suele ser de “foco fijo” o ajustable en el foco, y el elemento sensible puede ser un simple par termoeléctrico en aire o en bulbo de vacío o una pila termoeléctrica de unión múltiple en aire. La fuerza electromotriz se mide con un milivoltímetro o con un potenciómetro, con carácter indicador, indicador y registrador o indicador, registrador y regulador. El espejo cóncavo es a veces preferido como medio para enfocar por dos razones: •

1) la imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes de onda, puesto que el espejo no produce aberración cromática, en tanto que la lente puede dar una imagen neta para una sola longitud de onda.

•

2) las lentes de vidrio o de sílice vítrea absorben completamente una parte considerable de la radiación de largas longitudes de onda. La radiación reflejada por el espejo difiere poco en longitud de onda media de la que en él incide.

• Tipo Espejo En la figura siguiente se presenta esquemáticamente los rangos ópticos de un pirómetro de radiación moderno del tipo de espejo. La radiación entra, desde una fuente, a través de una ventana A de sílice vítrea, es reflejada por el espejo esférico B y llevada a un foco sobre el diafragma J, en el centro del cual hay una abertura C.

Pirómetro de radiación La radiación que pasa a través de C es reflejada por el espejo esférico D hacia el receptor E, donde se forma una imagen de C. La superficie de J se blanquea ligeramente con óxido de magnesio para que refleje difusamente suficiente luz que haga visible la imagen de la fuente cuando se mira a través de una lente H colocada detrás de B. El instrumento es orientado por el observador de manera que la imagen de la porción de la fuente que ha de ser mirada, cubra la abertura C. Dado que B no produce ninguna aberración cromática y muy poca aberración esférica, la imagen de la fuente, colocada a la distancia para la cual está enfocado el espejo, es muy neta y puede hacerse que una porción muy definida de la imagen cubra C. 139

Metrología La relación de la distancia de la fuente al diámetro requerido por la fuente (factor distancia) es aproximadamente de 24 a 1 para distancias mayores de 24 pulgadas. En 24 pulgadas, el diámetro de la fuente debe ser por lo menos de 1 pulgada; en 48 pulgadas, de 2 pulgadas, etcétera Para distancias más cortas de la fuente, el factor distancia es más largo. Para distancias mayores de 20 pulgadas, el instrumento puede emplearse como de “foco universal” si está debidamente enfocado y graduado para una distancia de 24 pulgadas. Un obturador F ajustable delante de la ventana A sirve para regular el tamaño de la abertura que deja osar la radiación de manera que la fuerza electromotriz utilizada de la pila termoeléctrica se ajuste estrechamente a una temperatura de la tabla de temperaturas y f.e.m. Diafragmas de entrada fijos proporcionan el ajuste del intervalo del pirómetro en anchos límites. El extremo superior del intervalo puede ser de 1000 a 1800 C, e incluso superior a 1800 C, si se necesita, para un máximo de f.e.m. de 20 milivoltios. La escala no es lineal y sigue aproximadamente la ley de la cuarta potencia en la relación entre la temperatura y la f.e.m. Dado que el extremo inferior de la escala está comprimido, una f.e.m. menor de 1 milivoltio en una amplitud de 20 milivoltios no es útil en la medida de temperaturas. La escala que termina en 1000 C comienza en 450 C y la que termina en 1800 C comienza en 825 C. En la mitad superior de la amplitud se descubren fácilmente cambios de temperatura de la fuente del orden de 0.1 % del valor medido. El tiempo requerido para conseguir el equilibrio después de un cambio grande y rápido de temperatura de la fuente depende de la capacidad calorífica del receptor y de la rapidez con la que disipa el calor. Este tiempo de respuesta en el instrumento que hemos descrito es de 1 a 10 segundos, según el tamaño del receptor.

Tipo Lente Este pirómetro está formado por una lente de pyrex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una pila termoeléctrica formada por varios termopares de Pt - Pt Rd de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones caliente de los termopares. La f.e.m. que proporciona la pila termoeléctrica depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión frío. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de este se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro. La compensación descrita se utiliza para temperaturas ambientales máximas de 120 °C. A mayores temperaturas se emplean dispositivos de refrigeración por aire o por agua que disminuyen la temperatura de la caja en unos 10 a 40 °C por debajo de la temperatura ambiente. En la medida de bajas temperaturas la compensación se efectúa utilizando además una resistencia termostática adicional que mantiene constante la temperatura de la caja en unos 50 °C, valor que 140

Metrología es un poco más alto que la temperatura ambiente que pueda encontrarse y lo suficientemente bajo como para reducir apreciablemente la diferencia de temperatura útil. El pirómetro puede apuntar al objeto bien directamente, bien a través de un tubo de mira abierto (se impide la llegada de radiación de otras fuentes extrañas) o cerrado (medida de temperatura en baños de sales para tratamientos térmicos, hornos) Los tubos pueden ser metálicos o cerámicos. Los primeros son de acero inoxidable o aleaciones metálicas resistentes al calor y a la corrosión y se emplean temperaturas que no superan generalmente los 1100 °C. Permiten una respuesta más rápida a los cambios de temperatura que los tubos cerámicos. Los tubos cerámicos se utilizan hasta 1650 °C. En las siguientes tablas se pueden ver las características de estos tubos Aleación

Composición química (%) Ni  Cr Fe Ti Si Al+Ni

Aplicaciones para atmósferas carburantes, gases de combustión, Inconel 600 76 17 7       nitruración, carbo-nitruración, amoníaco disociado, baños de sales de temple y cementación igual al anterior, no fragilizándose por el hidrógeno a Nimonic 75 76 20 4 0.1     alta temperatura Incoloy 800 32 20 resto     0.6 parecidas al Inconel, pero menos eficaz Incoloy D.S. 38 20 resto   2.5   igual que el anterior Aleaciones resistentes a la corrosión a alta temperatura y a sales fundidas Material cuarzo firebick sílice sillramic

Composición sílice fundida   sílice sílice-aluminio

Temperatura máxima (°C) 1260 1450 1600 1650

mullite

sílice-aluminio

1650

99 % aluminio puro

1870

óxido de berilio

2200

cromo-aluminio

1425

aluminio de alta pureza óxido de berilio tubos metálicos cerámicos

Tubos cerámicos

Observaciones resistencia excelente al choque térmico protección secundaria para tubos Sillramic en crisoles para vidrio resistencia al choque térmico  resistencia mecánica débil protección secundaria de choque mecánico y térmico. De mayor diámetro que el anterior resistencia al choque mecánico y térmico resistencia excelente al choque térmico  resistencia débil al choque mecánico resistencia excelente a los sulfuros  buena resistencia al choque térmico y mecánico

La relación entre la f.e.m. generada y la temperatura del cuerpo es independiente de la distancia entre el cuerpo y la lente (excluyendo la presencia de gases o vapores que absorban energía) siempre que la imagen cubra totalmente la unión caliente de la pila termoeléctrica. El fabricante normaliza la relación entre las dimensiones del objeto y su distancia a la lente, para garantizar unas buenas condiciones de lectura. De este modo existen pirómetros de radiación de ángulo estrecho (factor de distancia 20:1) y de ángulo ancho (factor de distancia 7:1)

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Metrología Pirómetros de radiación de ángulo estrecho (a) y de ángulo ancho (b) Un problema de gran importancia es la selección del material de la lente que debe transmitir la máxima energía compatible con la gama de radiaciones emitida. Las lentes de Pyrex se utilizan en el campo de temperaturas de 850 C a 1750 C, La lente de sílice fundida en el intervalo de 450 C a 1250 C y la lente de fluoruro de calcio para temperaturas inferiores. En la figura de distribución de energía radiante (vista anteriormente) puede verse que la radiación visible presenta el área entre 0.4 y 0.75 micras, que las lentes de pyrex permiten el paso de ondas de 0.3 a 2.7 micras, que las de sílice fundida dejan pasar ondas de 0.3 a 3.5 micras; las llamas no luminosas irradian y absorben energía en una banda ancha de 2.4 a 3.2 micras debido a la presencia de CO2 y vapor de agua. De este modo, el empleo de la lente de pyrex elimina prácticamente todas las longitudes de onda correspondientes a la energía irradiada por el CO2 y vapor de agua y por consiguiente la medida de la temperatura no viene influida por la presencia de llamas no luminosas. Sin embargo, un pirómetro con lente de sílice que deja pasar ondas entre 0.3 y 3.8 micras es sensible a la radiación de la llama no luminosa si ésta interfiere en la línea de mira del instrumento. Asimismo, un pirómetro especial constituido por una lente de fluoruro de calcio y con un ángulo de enfoque ancho para captar la mayor cantidad posible de energía (que a bajas temperaturas es muy débil) permite medir temperaturas muy bajas de 50 C a 200 °C. Usos El pirómetro de radiación se puede recomendar en lugar del termoeléctrico en los casos siguientes: • • • • • •

1. donde un par termoeléctrico sería envenenado por la atmósfera de horno 2. para la medida de temperaturas de superficies 3. para medir temperaturas de objetos que se muevan 4. para medir temperaturas superiores a la amplitud de los pares termoeléctricos formados por metales comunes 5. donde las condiciones mecánicas, tales como vibraciones o choques acorten la vida de un par termoeléctrico caliente 6. cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura.

Este pirómetro reemplaza al pirómetro óptico cuando se desea registrar y vigilar las temperaturas superiores a 1600 C. Esta sustitución requiere que la fuente sea lo suficientemente grande para llenar el campo del pirómetro de radiación. Un ejemplo interesante de la termometría basada en la radiación del cuerpo negro fue descubierto por A. Penzias y R.W. Wilson en 1965. Utilizando un radiotelescopio y operando en el intervalo de longitudes de ondas centimétricas detectaron una radiación de fondo que parece inundar uniformemente el Universo y cuyas características espectrales coinciden con las correspondientes a un cuerpo negro a la temperatura de unos 3 K (radiación 3 K del universo). Por este motivo Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de Física de 1978. 142

Metrología

Diagrama esquemático de un pirómetro de radiación total (Fery)

Diagrama de un pirómetro de radiación visible

Pirómetros Ópticos Se basan en la ley de distribución de la radiación térmica de Wien. m = A / T, donde A = 0.2897 si m viene en cm. La longitud de onda correspondiente al máximo de potencia irradiada en forma de radiaciones comprendidas en un intervalo infinitamente pequeño de longitudes de onda es inversamente proporcional a la temperatura del cuerpo negro. En la medición de temperaturas con estos pirómetros hacemos uso de una característica de la radiación térmica: el brillo. El brillo de la radiación en una banda muy estrecha de longitudes de onda emitidas por una fuente, cuya temperatura ha de medirse, es confrontado visualmente con el brillo, en la misma banda, de una fuente calibrada. Si la fuente es un radiador perfecto, un llamado cuerpo negro, existe una relación entre el brillo J de la fuente en esta banda estrecha, la longitud landa de la onda efectiva media de esta banda y la temperatura absoluta T de la fuente, la cual se expresa muy aproximadamente por la ley de distribución de la radiación térmica de Wien: JC-5 exp [C2/  T]

La modificación de Planck de esta ley JC1 -5 exp [(C2/  T) - 1] es exacta. En estas expresiones C1 y C2 son constantes físicas que pueden ser determinadas experimentalmente por varios métodos. La ley de Wien es suficientemente exacta para las longitudes de onda visibles hasta por lo menos 1800 °C y es matemáticamente de manejo más cómodo que la ley de Planck.

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Metrología Estructura de los Pirómetros Ópticos El pirómetro óptico empleado en la determinación de altas temperaturas tales como las temperaturas de fusión del platino, del molibdeno o del tungsteno, es del tipo de filamento cuya imagen desaparece. Un telescopio es enfocado sobre el objeto incandescente cuya temperatura se va a medir. El filamento de tungsteno de una lámpara de alto vacío está situado en el plano focal del objetivo del telescopio. El ocular es enfocado sobre este plano, e incluye un filtro de vidrio rojo que sólo transmite una estrecha banda de longitudes de onda visible centrada en O.65 micras. El filamento de tungsteno es calentado por la corriente de una batería,  corriente regulada por un reóstato y medida, preferiblemente, por un método potenciométrico. Para hacer una medición, las imágenes superpuestas de la fuente y del filamento son confrontadas en brillo ajustando la corriente del filamento. Cuando el brillo es igual, el filamento desaparece contra el fondo de la imagen de la fuente. El filamento aparece como linea oscura o brillante, según que sea menos brillante o más brillante que la imagen de la fuente. El ojo es muy sensible a la diferencia en brillo, y dado que la brillantez de un objeto aumenta proporcionalmente al múltiplo 10-20 de su temperatura absoluta, un error de 1% en la confrontación del brillo supone solamente un error de 0.05 a O.1% en la temperatura. Cuando se ha conseguido la desaparición del filamento, se lee la corriente, o bien, si la escala de corrientes está graduada en temperaturas, se lee esta directamente. La figura siguiente representa un pirómetro óptico moderno muy usado en el laboratorio y en trabajo industrial. Este instrumento está graduado por la observación de la corriente requerida para conseguir la desaparición cuando la fuente es un cuerpo negro mantenido en varias temperaturas conocidas. Pirómetro óptico Una de esta puede ser la temperatura de fusión del oro, 1063 °C, y otra la de la plata, 960.8 °C. Otras temperaturas del horno de cuerpo negro pueden determinarse por medio de un par termoeléctrico patrón de platino con platino - 1% de rodio. La escala de la corriente frente a la de temperaturas se obtiene por interpolación entre esas temperaturas medidas. El extremo inferior práctico de la escala de temperaturas del pirómetro óptico es aproximadamente 750 °C; a temperaturas inferiores el brillo de la imagen es excesivamente débil para hacer posible la confrontación exacta. El extremo superior de la escala del instrumento ta como se ha descrito es aproximadamente 1250 °C. A temperaturas más elevadas, el ojo es deslumbrado por el brillo. En la medición de altas temperaturas es necesario cubrir con una pantalla la radiación de la fuente de modo que se reduzca el brillo lo bastante para que pueda ser confrontado en la amplitud de escala del filamento. Una pantalla que transmite una fracción conocida de la radiación es un disco giratorio con sectores colocado entre la lente del objetivo y el filamento. Con la ley de distribución de la radiación térmica de Wien puede demostrarse la siguiente relación  ln  C2 = 1 / T2 - 1 / T1 = A 144

Metrología donde  es la longitud de onda efectiva media transmitida por el filtro rojo,  es la fracción de la luz transmitida por la pantalla, c2 es una constante conocida (14380 micro grados), T1 es la temperatura absoluta observada a través de la pantalla tal como se mide en la escala del pirómetro y T2 es la temperatura real de la fuente. Para una pantalla dada y un filtro de vidrio rojo, A es una constante, la cual se expresa ordinariamente en “mireds” (microgrados recíprocos negativos) y es computable mediante los valores conocidos de ,  y c2. En la determinación de una temperatura T2 superior a 1063 °C, se emplea una pantalla que reduce el brillo suficientemente para hacer que T1 caiga en la escala por debajo de 1063 °C. Después, midiendo T1, se puede calcular T2. Por este método se han determinado temperaturas en la Escala Internacional de Temperaturas (escala termodinámica) para temperatura de solidificación hasta la del tungsteno, 3380 °C. Para las temperaturas superiores a unos 1800 °C la discrepancia entre las leyes de Wien y de Planck se hace significante, y la última se emplea en la computación de temperaturas de solidificación. Fuera del laboratorio de patrones, el disco con sectores no es práctico y se le reemplaza con una pantalla absorbente de vidrio. El valor A de la pantalla es determinado midiendo a través de ella la temperatura aparente T1 de una fuente de cuerpo negro a la temperatura conocida T1, tal como, por ejemplo, la temperatura de solidificación del platino. Supongamos que la lectura en la escala de temperaturas del pirómetro, cuando la fuente es la solidificación del platino es un horno de cuerpo negro, se encuentra que es 1000 °C o 1273 K. Se sabe que la temperatura de solidificación del platino es 1760 °C o 2033 K. Entonces A = 1/2033 - 1/ 1273 = 0.000294 o 294 mireds (microgrados recíprocos negativos) Si el vidrio de la pantalla tiene las debidas características de transmisión, A es constante para todos los valores de T2, y para cada temperatura en la escala menor puede calcularse la temperatura correspondiente de una fuente, observada a través de la pantalla. De esta forma puede ponerse una escala mayor paralela a la escala menor para emplearla cuando se miden temperaturas superiores a las comprendidas en la escala anterior. Los límites de error son tales, que pueden hacerse fácilmente medidas válidas dentro de una tolerancia de mas menos 4 °C hasta 1225 °C y de mas menos 8 °C hasta 1750 °C con un pirómetro óptico industrial propiamente mantenido y usado inteligentemente. Incluso los observadores inexperimentados hacen lecturas aceptables dentro del margen de 5 °C. a temperaturas hasta 1750 °C, y los observadores experimentados, en una habitación oscura aciertan con menor error de un grado centígrado. Otros pirómetros ópticos de corriente variable usan la caída de voltaje en el filamento, o la resistencia de este filamento, como medida de la temperatura de desaparición. Correcciones en la Temperatura de Cuerpos No Negros Un cuerpo negro es aquel que absorbe toda la radiación que incide en él y no refleja ninguna. Un cuerpo negro a temperaturas inferiores a la incandescencia es, por consiguiente, perfectamente negro. A temperaturas superiores es luminoso, y en cualquier temperatura dada emite radiación en mayor grado que cualquier cuerpo no negro conforme a la ley de radiación de Kirchhoff, la cual afirma que todo cuerpo que es buen “absorbedor” de radiación, es asimismo buen radiador y justamente en la misma proporción. La emisividad (o coeficiente de emisión) de un cuerpo no negro es la relación de la intensidad radiante del cuerpo a la intensidad radiante de una fuente de cuerpo negro a la misma temperatura. La reflectividad de un cuerpo no negro es la relación de las intensidades radiantes incidente y 145

Metrología reflejada. La suma de la emisividad y la reflectividad es igual a la unidad. La radiación de un cuerpo negro se puede observar a través de una pequeña abertura en un recinto opaco que está todo él a temperatura uniforme. Tiene un valor aproximado a la radiación de un cuerpo negro la radiación de las cavidades profundas en un cuerpo uniformemente calentado y en hornos que están cerca del equilibrio térmico. Las superficies expuestas nunca son negras, y cuando sus temperaturas se miden con un pirómetro óptico, el resultado difiere de la verdadera temperatura, puesto que es demasiado baja si la superficie está en espacio abierto y demasiado alta si está en un horno, cuyas paredes están más calientes que la superficie. Las emisividades espectrales de muchas sustancias son conocidas para  = 0.65 micras (longitud de onda a la que es sensible el pirómetro óptico), y es posiblemente mediante el empleo de tablas preparadas aplicar las correcciones a los valores medidos para determinar la verdadera temperatura. Los valores de emisividad varían desde aproximadamente 0.1 para el cobre o el oro pulimentado, o 0.3 para el platino pulimentado, hasta 0.8 para el acero al carbono oxidado y 0.96 para el carburo de titanio. En una temperatura medida de 1000 °C si la emisividad es 0.1 la verdadera temperatura es 1196 °C en tanto que para una emisividad de 0.9 la temperatura verdadera es 1008 °C si la superficie medida está en espacio abierto. Las tablas de correcciones están basadas en la hipótesis de que la emisividad de la superficie es la misma para todas las longitudes de onda, y en este caso, el cuerpo no negro se llama no gris y la medida de la radiación en la longitud de onda  es una verdadera medida de la temperatura del cuerpo. Algunos cuerpos son radiadores selectivos, esto es, emiten radiación que no está en concordancia con la curva de distribución del cuerpo negro. Esto ocurre en la luz de las lámparas fluorescentes, de lámparas de vapor de mercurio y de la mayor parte de las llamas. Un pirómetro óptico no mide la temperatura de estas fuentes. Con correcciones de emisividad adecuadas, el pirómetro óptico es muy útil para comprobar los pirómetros de radiación.

Corrección a añadir a la temperatura de brillo S leída en un pirómetro monocromático para obtener la temperatura verdadera

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Metrología Coeficientes de emisión total de sustancias diversas Material Coeficiente de emisión Aluminio (oxidado) 0.19 Latón (oxidado) 0.60 Cobre recalentado 0.26 Cobre recalentado (oxidado) 0.19 Acero recalentado (oxidado) 0.57 Fundición (fuertemente oxidada) 0.95 Fundición (oxidada) 0.78 Cobre (oxidado) 0.60 Refractario 0.75 Esmalte dorado 0.37 Hierro (oxidado) 0.89 Hierro con herrumbre 0.65 Plomo (oxidado) 0.63 Monel (oxidado) 0.43 Níquel (oxidado) 0.85 Ladrillo de sílice 0.85 Acero (oxidado) 0.79 Plancha de acero rugosa 0.97 Hierro rugoso (oxidado mate) 0.94 20 Ni - 25 Cr - 55 Fe (oxidado) 0.97 60 Ni - 12 Cr - 28 Fe (oxidado) 0.85 80 Ni - 20 Cr (oxidado) 0.89

Coeficientes de emisión espectral de materiales oxidados 147

Metrología Errores Debidos a la Reflexión Los cuerpos no negros son reflectores de radiación. La medida con el pirómetro óptico está basada sólo en la radiación emitida. Por lo tanto, cualquier luz de una lámpara, ventana u otra fuente de luz que sea reflejada por la superficie que se está midiendo en el telescopio pirométrico introduce un error en la lectura y esto debe evitarse. Las superficies limpias de metales fundidos son buenas reflectoras y por consecuencia tienen baja emisividad. La emisividad del acero fundido para  = 0.65 micras tiene un valor generalmente aceptado de 0.4. Las partículas de óxido de hierro flotantes sobre el metal tienen valores más altos de emisividad, y por consiguiente aparecen como manchas brillantes sobre la superficie; son estas mas negras que el acero. La corrección para una emisividad de 0.4 es aplicable al acero y es la superficie limpia más oscura con la cual debe ser comparado un filamento. Graduación Los pirómetros ópticos de laboratorio de fábrica son graduados por un método de sustitución. Un pirómetro óptico patrón que ha sido graduado a temperaturas fijas de solidificación se emplea para medir la temperatura aparente de un filamento aplastado de tungsteno, luego se sustituye el patrón por el pirómetro que va a ser graduado y se observa la corriente en que se consigue la desaparición. El filamento de tungsteno no es “negro”; pero si los filtros de vidrio rojo de los dos instrumentos son semejantes, las correcciones de emisividad son las mismas para ambos y se obtendrá una graduación del cuerpo negro del instrumento que se ensaya.

Otros Errores Además de la luz extraña, hay que evitar otras fuentes de error: los humos o vapores entre el pirómetro y la fuente; el polvo u otros depósitos en las lentes, pantallas o lámparas, y la pérdida de voltaje de las baterías del filamento. El pirómetro debe probarse de tiempo en tiempo frente a un pirómetro patrón. Junto a los pirómetros visuales clásicos, que trabajan en general con  = 0.65 m, se construyen actualmente pirómetros fotoeléctricos que funcionan en el infrarrojo próximo y cuya precisión es muy superior (0.01 K a 1000 K y 0.1 K a 3000 K) •

Tacómetro.

Son utilizados para medir la velocidad de cuerpos en rotación. El principio de operación es que un motor (operado como un generador) produce un voltaje proporcional a la velocidad angular del motor. La constante de proporcionalidad K se utiliza para trasladar el movimiento mecánico en un voltaje cuyos valores típicos son de 1 V a 30 V por 1000 RPM. Los tacómetros se unen al eje de salida de los motores del inversor de la CC o CA que requieren la regulación de la velocidad. El tacómetro alimenta su señal a un control que ajuste su salida al motor CC o al inversor de los motores CA. Los tacómetros pueden ser del tipo de contacto o sin contacto. Las configuraciones comunes para tacómetros incluyen los de mano, portátiles, fijos o modulares. Los instrumentos manuales están diseñados para utilizarse en la mano. Los portátiles tienen aditamentos que dan libertad de movimiento. Los instrumentos fijos están diseñados para colocarse en bancos de trabajo. Los tacómetros modulares tienen módulos diferentes para conectarse a diferentes sensores con diferentes rangos de salida. 148

Metrología Los dos parámetros más importantes que se consideran para especificar un tacómetro son: la velocidad de operación y la exactitud.

Tacómetro digital laser con y sin contacto. Display LCD de 5 dígitos Memoria de máxima, mínima y última lectura Rango por Laser: 2,5 a 99.999 RPM Rangos por contacto: 0,5 a 19.999 RPM contacto) Velocidad linear de superficie: -0,05 a 1999,9 m/min Resolución: 1,0 RPM y 0,01m/min Exactitud: +- 0,05% + 1 dígito Distancia de medición láser: 2 m máx.

Tacómetro por contacto Display LCD de 5 dígitos Memoria de máxima, mínima y última lectura Rango por contacto: 0,5 a 19.999 RPM contacto) Velocidad linear de superficie: -0,05 a 1999,9 m/min Resolución: 1,0 RPM y 0,01m/min Exactitud: +- 0,05% + 1 dígito

Torquímetro Par Torsional es una magnitud derivada de un par de Fuerzas aplicadas a un elemento, a una distancia perpendicular a un eje longitudinal, tal que se genere en él una rotación alrededor de ese eje. En analogía con lo anterior, el Par Torsional o lo que comúnmente se conoce como “torque” puede ser asociado con la fuerza de apriete en un tornillo. 149

Metrología Tipos de Torquimetros Barra Deflectora de Lectura Directa: Aplicaciones Comunes: • • • •

Las secciones de control de calidad, los laboratorios metrológicos y los departamentos de inspección usan llaves dinamométricas de lectura directa para evitar la aplicación de excesos de torque. Para establecer torque final después de trabajar con herramientas de ensamble de alta velocidad. Instrumento de ensamble primario cuando se requiere un alto grado de precisión. Durante pruebas de destrucción.

Características: • • • •

El torquímetro modelo tiene una precisión de +/- 2% de la lectura, y hay modelos disponibles con +/- 1% de precisión. Muy duraderas, prácticamente sin piezas moviles. Se asegura la precisión cuando el torquímetro no está cargado y el marcador está en cero. El mango de eje giratorio concentra la fuerza de tiro para asegurar la precisión.

Operación: •

La carga se aplica contra el mango y desvía la barra donde se encuentra la escala. El marcador o indicador permanece fijo.

“Clicker” Ajustable y Pre-Ajustable: Aplicaciones Comunes: •

Operaciones de línea de producción y mantenimiento, donde no es deseable que el operario haga ajustes.

Características: • El torquímetro deberá preprogramarse en el analizador con una herramienta especial de ajuste. • Instrumento de producción disponible en una amplia variedad de configuraciones, incluyendo cabezas de matraca fijas, así como sistemas de cabezas intercambiables. • Adaptadores y extensiones disponibles que permiten aplicar torque en lugares dificiles de alcanzar. Operación: • El componente principal de este tipo de llave es un resorte enrollado en serpentín helicoidal. Al mover el mango, la compresión del resorte cambia la carga sobre el mecanismo de torque central. Una vez alcanzado el nivel de torque deseado, la carga sobre el mecanismo central es superada por el torque aplicado y produce una señal audible y una leve vibración. 150

Metrología “Clicker” de Micrómetro  Ajustable Aplicaciones Comunes: • Úsese ampliamente para operaciones de mantenimiento y para ensamble cuando las necesidades de cambio de valores exigen que se hagan ajustes en la línea de ensamble. Características: • Precisión de lectura de +/- 4%. • Modelo de llave más versátil porque puede ajustarse inmediatamente. Disponible en una amplia variedad de configuraciones, incluyendo cabezas de trinquetes fijas así como sistemas de cabezas intercambiables. • El diseño de la llave permite su uso en espacios estrechos y limitados. Operación: • El componente principal de este tipo de llave es un resorte enrollado en serpentín helicoidal. Al mover el mango, la compresión del resorte cambia la carga sobre el mecanismo de torque central. Una vez alcanzado el nivel de torque deseado, la carga sobre el mecanismo central es superada por el torque aplicado y produce una señal audible y una leve vibración. Capacidad de los Torquímetros: Para decidir cuál capacidad del torquímetro es la más adecuada para una aplicación deberán tenerse en cuenta varios factores. Sin embargo, recomendamos el uso de un torquímetro que se encuentre en el 50% medio de la capacidad total de la herramienta. Esto dará como resultado más larga vida para la herramienta, más facilidad para el operario y mayor precisión en el modelo de torquímetro.

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Metrología Resumen. En esta unidad hemos revisado el principio de operación de instrumentos de Metrología Dimensional, Metrología Eléctrica, Metrología Hidráulica y Neumática, Metrología Térmica y Metrología Mecánica. En el caso de la Metrología Dimensional revisamos el modo de utilizar el nonio en los diferentes sistemas de unidades y sus equivalencias, también establecimos la importancia de tomar precauciones al medir e hicimos énfasis en los cuidados que se deben tener con los equipos de medición. En el caso de la Metrología Eléctrica, presentamos los principios de operación de los instrumentos que miden voltaje, corriente y resistencia, parámetros que están relacionados por la ley de Ohm. Asimismo presentamos los principios y características del cableado estructurado para redes LAN y presentamos el sistema de localización satelital GPS. Presentamos los fundamentos de la hidráulica y la neumática y presentamos algunas características de válvulas hidráulicas y neumáticas. Se discutió la diferencia y la relación entre los conceptos de temperatura y calor, se presentó la Escala Internacional de Temperaturas, y se mostraron los principios de operación de los instrumentos más comunes para medir temperatura: el termómetro de resistencia de Platino, el termopar, el termómetro de líquido en vidrio y los distintos tipos de pirómetros que hay en el mercado. Finalmente se presentaron dos instrumentos que se utilizan en la Metrología Mecánica, el torquímetro y el tacómetro, se discutió la relación entre fuerza y torca y se discutió el principio de operación del tacómetro.

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Metrología Evaluación 1. ¿Cuáles son los instrumentos de medición directa más usados? 2. ¿Cuáles son los instrumentos de medición indirectos más usados? 3. ¿Qué aplicaciones tienen los calibradores de vernier? 4. Menciona cinco recomendaciones para el manejo del calibrador 5. ¿Cuáles son los factores que afectan la medición con los calibradores de vernier? 6. ¿Cuáles son las unidades con la que están graduados los micrómetros? 7. ¿Cuáles son los principales errores que se presentan en el micrómetro? 8. Menciona cinco cuidados para el micrómetro 9. ¿Qué es un calibrador de alturas? 10. ¿Cuáles son las condiciones para seleccionar un calibrador de alturas? 11. ¿Cuáles son los principales errores que se presentan en el calibrador de alturas? 12. ¿Que características debe presentar un bloque patrón? 13. ¿Cuáles son los errores que afectan a los bloques patrón? 14. ¿Qué son los calibres? 15. Menciona los principales tipos de calibres. 16. ¿Que precisión alcanza el calibrador? 17. Menciona tres características principales de los bloques patrón. 18. ¿Qué es un comparador? 19. ¿En el sistema de medición por coordenadas cuales son las partes de la unidad de medición? 20. ¿Describe la medición por coordenadas 21. ¿Donde se utiliza el Microteléfono y para que? 22. ¿Para que se utiliza el Posicionador Global GPS? 23. ¿Menciona alguna característica que mida el probador de cable de red Lan? 24. ¿Menciona cuál es la función del Inclinómetro?

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Metrología UNIDAD 3 MANTENIMIENTO Y CALIBRACIÓN DEL EQUIPO DE MEDICIÓN Introducción El mantenimiento no es una función “miscelánea”, produce un bien real, que puede resumirse en: capacidad de producir con calidad, seguridad y rentabilidad. Para nadie es un secreto la exigencia que plantea una economía globalizada, mercados altamente competitivos y un entorno variable donde la velocidad de cambio sobrepasa en mucho nuestra capacidad de respuesta. En este panorama estamos inmersos y vale la pena considerar algunas posibilidades que siempre han estado pero ahora cobran mayor relevancia. Particularmente, la importante necesidad de redimensionar la empresa implica para el mantenimiento, retos y oportunidades que merecen ser valorados. Debido a que el ingreso siempre provino de la venta de un producto o servicio, esta visión primaria llevó la empresa a centrar sus esfuerzos de mejora, y con ello los recursos, en la función de producción. El mantenimiento fue “un problema” que surgió al querer producir continuamente, de ahí que fue visto como un mal necesario, una función subordinada a la producción cuya finalidad era reparar desperfectos en forma rápida y barata. Ahora bien, ¿cuál es la participación del mantenimiento en el éxito o fracaso de una empresa? Por estudios comprobados se sabe que incide en: •

Costos de producción.

•

Calidad del producto servicio.

•

Capacidad operacional (aspecto relevante dado el ligamen entre competitividad y por citar solo un ejemplo, el cumplimiento de plazos de entrega).

•

Capacidad de respuesta de la empresa como un ente organizado e integrado: por ejemplo, al generar e implantar soluciones innovadoras y manejar oportuna y eficazmente situaciones de cambio.

•

Seguridad e higiene industrial, y muy ligado a esto.

•

Calidad de vida de los colaboradores de la empresa.

Imagen y seguridad ambiental de la compañía. Como se desprende de argumentos de tal peso, “ El mantenimiento no es una función “miscelánea”, produce un bien real, que puede resumirse en: capacidad de producir con calidad, seguridad y rentabilidad. Ahora bien, ¿dónde y cómo empezar a potenciar a nuestro favor estas oportunidades? Quizá aquí pueda encontrar algunas pautas.

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Metrología 3.1. Tipos de mantenimiento Mantenimiento preventivo Este tipo de mantenimiento surge de la necesidad de rebajar el correctivo y todo lo que representa. Pretende reducir la reparación mediante una rutina de inspecciones periodicas y la renovación de los elementos dañados, si la segunda y tercera no se realizan, la tercera es inevitable. Historia Durante la segunda guerra mundial, el mantenimiento tiene un desarrollo importante debido a las aplicaciones militares, en esta evolución el mantenimiento preventivo consiste en la inspección de los aviones an tes de cada vuelo y en el cambio de algunos componentes en función del número de horas de funcionamiento. Características Basicamente consiste en programar revisiones de los equipos, apoyandose en el conocimiento de los instrumentos de medición en base a la experiencia y los históricos obtenidos de los mismos. Se confecciona un plan de mantenimiento para cada instrumento, donde se realizarán las acciones necesarias, engrasan, ajustan, desmontaje, limpieza, etc. Ventajas •

Si se hace correctamente, exige un conocimiento de los instrumentos y un tratamiento de los históricos que ayudará en gran medida a controlar la maquinaria e instalaciones.

•

El cuidado periódico conlleva un estudio óptimo de conservación con la que es indispensable una aplicación eficaz para contribuir a un correcto sistema de calidad y a la mejora de los contínuos.

•

Reducción del correctivo representará una reducción de costos de producción y un aumento de la disponibilidad, esto posibilita una planificación de los trabajos del departamento de mantenimiento, así como una previsión de los recambios o medios necesarios.

•

Se concreta de mutuo acuerdo el mejor momento para realizar el paro de las instalaciones con producción.

Desventajas

156

•

Representa una inversión inicial en infraestructura y mano de obra. El desarrollo de planes de mantenimiento se debe realizar por tecnicos especializados.

•

Si no se hace un correcto análisis del nivel de mantenimiento preventiventivo, se puede sobrecargar el costo de mantenimiento sin mejoras sustanciales en la disponibilidad.

•

Los trabajos rutinarios cuando se prolongan en el tiempo produce falta de motivación en el personal, por lo que se deberan crear sitemas imaginativos para convertir un trabajo repetitivo en un trabajo que genere satisfacción y compromiso, la implicación de los operarios de preventivo es indispensable para el éxito del plan.

Metrología Mantenimiento predictivo Este tipo de mantenimiento se basa en predecir la falla antes de que esta se produzca. Se trata de conseguir adelantarse a la falla o al momento en que el equipo o elemento deja de trabajar en sus condiciones óptimas. Para conseguir esto se utilizan herramientas y técnicas de monitores de parametros físicos. Historia Durante los años 60 se inician técnicas de verificación mecánica a través del análisis de vibraciones y ruidos si los primeros equipos analizadores de espectro de vibraciones mediante la FFT (Transformada Rápida de Fourier), fueron creados por Bruel Kjaer. Ventajas •

La intervención en el equipo o cambio de un elemento.

•

Nos obliga a dominar el proceso y a tener unos datos técnicos, que nos comprometerá con un método cientifico de trabajo riguroso y objetivo.

Desventajas •

La implantancion de un sistema de este tipo requiere una inversion inicial imoprtante, los equipos y los analizadores de vibraciones tienen un costo elevado. De la misma manera se debe destinar un personal a realizar la lectura periodica de datos.

•

Se debe tener un personal que sea capaz de interpretar los datos que generan los equipos y tomar conclusiones en base a ellos, trabajo que requiere un conocimiento técnico elevado de la aplicación.

•

Por todo ello la implantación de este sistema se justifica en máquina o instalaciones donde los paros intempestivos ocacionan grandes pérdidas, donde las paradas innecesarias ocacionen grandes costos.

Mantenimiento correctivo Es aquel que se ocupa de la reparacion una vez se ha producido el fallo y el paro súbito de la máquina o instalación. Dentro de este tipo de mantenimiento podríamos contemplar dos tipos de enfoques: Mantenimiento paliativo o de campo (de arreglo) Éste se encarga de la reposición del funcionamiento, aunque no quede eliminada la fuente que provoco la falla. Mantenimiento curativo (de reparación) Éste se encarga de la reparación propiamente pero eliminando las causas que han producido la falla. Suelen tener un almacén de recambio, sin control, de algunas cosas hay demasiado y de otras 157

Metrología quizás de más influencia no hay piezas, por lo tanto es caro y con un alto riesgo de falla. Mientras se prioriza la reparación sobre la gestión, no se puede prever, analizar, planificar, controlar, rebajar costos. Historia A finales del siglo XVIII y comienzo del siglo XIXI durante la revolución industrial, con las primeras máquinas se iniciaron los trabajos de reparacion, el inicio de los conceptos de competitividad de costos, planteo en las grandes empresas, las primeras preocupaciones hacia las fallas o paro que se producían en la producción. Hacia los años 20 ya aparecen las primeras estadisticas sobre tasas de falla en motores y equipos de aviacion. Ventajas •

Si el equipo esta preparado la intervención en el fallo es rápida y la reposición en la mayoría de los casos será con el mínimo tiempo.

•

No se necesita una infraestructura excesiva, un grupo de operarios competentes será suficiente, por lo tanto el costo de mano de obra será mínimo, será más prioritaria la experiencia y la pericia de los operarios, que la capacidad de análisis o de estudio del tipo de problema que se produzca.

•

Es rentable en equipos que no intervienen de manera instantanea en la producción, donde la implantacion de otro sistema resultaría poco económico.

Desventajas •

Se producen paradas y daños imprevisibles en la produccion que afectan a la planifiacion de manera incontrolada.

•

Se cuele producir una baja calidad en las reparaciones debido a la rapidez en la intervención, y a la prioridad de reponer antes que reparar definitivamente, por lo que produce un hábito a trabajar defectuosamente, sensación de insatisfacción e impotencia, ya que este tipo de intervenciones a menudo generan otras al cabo del tiempo por mala reparación por lo tanto será muy difícil romper con esta inercia.

Conclusiones La principal función de una gestión adecuada del mantenimiento consiste en rebajar el correctivo hasta el nivel óptimo de rentabilidad para la empresa. El correctivo no se puede eliminar en su totalidad por lo tanto una gestión correcta extraerá conclusiones de cada parada e intentará realizar la reparacion de manera definitiva ya sea en el mismo momento o programado un paro, para que esa falla no se repita. Es importante tener en cuenta en el análisis de la política de mantenimiento a implementar, que en algunas máquinas o instalaciones el correctivo será el sistema más rentable

158

Metrología 3.2 Mantenimiento La necesidad de organizar adecuadamente el servicio de mantenimiento con la introducción de programas de mantenimiento preventivo y el control del mantenimiento correctivo hace ya varias décadas en base, fundamentalmente, al objetivo de optimizar la disponibilidad de los equipos productores. Posteriormente, la necesidad de minimizar los costos propios de mantenimiento acentúa esta necesidad de organización mediante la introducción de controles adecuados de costos. Recientemente, la exigencia a que la industria está sometida de optimizar todos sus aspectos, tanto de costos, como de calidad, como de cambio rápido de producto, conduce a la necesidad de analizar de forma sistemática las mejoras que pueden ser introducidas en la gestión, tanto técnica como económica del mantenimiento. Todo ello ha llevado a la necesidad de manejar desde el mantenimiento una gran cantidad de información. El diseño e implementación de cualquier sistema organizativo y su posterior informatización debe siempre tener presente que está al servicio de unos determinados objetivos. Cualquier sofisticación del sistema debe ser contemplada con gran prudencia en evitar, precisamente, de que se enmascaren dichos objetivos o se dificulte su consecución. En el caso del mantenimiento su organización e información debe estar encaminada a la permanente consecución de los siguientes objetivos: •

Optimización de la disponibilidad del equipo productivo.

•

Disminución de los costos de mantenimiento.

•

Optimización de los recursos humanos.

•

Maximización de la vida de la máquina.

Equipos Asegurar la exactitud del equipo es un componente crucial de un sistema efectivo. Si bien esta y las dos secciones subsecuentes separan el equipo, los programas y las comunicaciones en tres apartados, su operación es con frecuencia interdependiente, y los procedimientos de verificación, prueba y mantenimiento que se indican pueden llevarse a cabo con los tres componentes en su conjunto. Verificación del equipo Para un sistema de gran importancia, como uno de votación electrónica, es conveniente que una autoridad independiente lleve a cabo las pruebas de verificación. Para sistemas de menor importancia, la verificación puede realizarse internamente. Las pruebas de verificación de los equipos (también conocidas como pruebas de calidad) pueden comprender lo siguiente: •

Prueba de los equipos bajo condiciones que simulen las esperadas en la vida real, incluyendo almacenamiento, transportación, operación y mantenimiento. 159

Metrología •

Asegurar que el equipo se ajuste a los requerimientos ambientales locales, incluyendo resguardo, espacio, suministro de energía eléctrica, temperatura, humedad y contaminación.

•

Asegurar que la documentación sea adecuada y esté completa.

•

Verificar que el equipo sea capaz de funcionar bajo las condiciones normales esperadas y potenciales condiciones adversas.

•

Garantizar que se cuenta con medidas de seguridad y que éstas se ajustan a los estándares establecidos.

•

Asegurar que se cuenta con las debidas medidas de control de calidad.

Prueba del equipo La prueba del equipo es normalmente más detallada y rigurosa que la verificación. Se requiere para asegurar que cada componente de un sistema esté operando como debe y que el sistema esté funcionando de acuerdo con los requerimientos locales específicos. Un programa de prueba integral y bien estructurado es aquel que asegura que todos los componentes del sistema sean probados. Esto es especialmente importante para sistemas clave como los de votación electrónica. Entre las medidas de prueba que se pueden considerar figuran las siguientes: •

Desarrollar un conjunto de criterios para la prueba.

•

Aplicar pruebas “no operativas” para asegurar que el equipo puede tolerar los niveles de manejo físico esperado.

•

verificar la existencia de un código ‘integrado’ en el equipo de cómputo (este código algunas veces es mejor conocido como ‘firmware’) para asegurar la conexión lógica y para asegurar que se están siguiente los estándares apropiados)

•

Aplicar pruebas funcionales para determinar si se han satisfecho los criterios de prueba.

•

Aplicar evaluaciones de calidad para determinar si se han satisfecho los criterios de prueba.

•

Conducir pruebas en condiciones de “laboratorio” y en una variedad de condiciones “reales”.

•

Conducir pruebas durante un periodo prolongado, para cerciorarse que los sistemas pueden funcionar de manera consistente.

•

Conducir “pruebas de carga”, simulando tanto como sea posible una variedad de condiciones reales utilizando o excediendo los volúmenes de información que se pueden esperar en una situación concreta.

•

Verificar que lo que entra es lo que sale, introduciendo información conocida y verificando que el resultado sea consecuente con ella.

Mantenimiento del equipo Después de que los sistemas han sido verificados, probados e implantados, se les debe seguir dando mantenimiento. Las rutinas de mantenimiento variarán de acuerdo con el tipo y complejidad de la tecnología. Los fabricantes o proveedores suelen indicar en muchos productos el programa o calendario de mantenimiento requerido. El mantenimiento también puede ser realizado por el fabricante o el proveedor como parte del acuerdo de compra. 160

Metrología A los sistemas se les debe dar mantenimiento para asegurar que continúen operando en el nivel mostrado durante la etapa de prueba El monitoreo permanente de los sistemas necesita ser sistematizado para asegurar que las necesidades de mantenimiento sean identificadas y satisfechas cuando resulte necesario. Cuando los sistemas son de uso prolongado, se puede establecer un mecanismo para recibir retroalimentación de los usuarios como otra forma de determinar las necesidades de mantenimiento y modificación. Cuando se realicen modificaciones al equipo, programa o comunicaciones como resultado de programas de mantenimiento o actualización, puede ser necesario promover rondas adicionales de verificación y prueba del sistema para asegurarse que sigue cumpliendo las normas exigidas. Cuidados El mantenimiento de equipos, infraestructuras, herramientas, maquinaria, etc. representa una inversión que a mediano y largo plazo acarreará ganancias no sólo para el empresario a quien esta inversión se le revertirá en mejoras en su producción, sino también el ahorro que representa tener un trabajadores sanos e índices de accidentalidad bajos. El mantenimiento representa un arma importante en seguridad laboral, ya que un gran porcentaje de accidentes son causados por desperfectos en los equipos que pueden ser prevenidos. También el mantener las áreas y ambientes de trabajo con adecuado orden, limpieza, iluminación, etc. es parte del mantenimiento preventivo de los sitios de trabajo. El mantenimiento no solo debe ser realizado por el departamento encargado de esto. El trabajador debe ser concientizado a mantener en buenas condiciones los equipos, herramienta, maquinarias, esto permitirá mayor responsabilidad del trabajador y prevención de accidentes. Materiales Podemos decir que hay dos clases de materiales, los que no parecen influir en los ensayos o calibraciones y los que si influyen en ellos, algunos ejemplos de los primeros (pero depende de las circunstancias) son: o Material de oficina  Papel, cuadernos de notas, etiquetas  Bolígrafos, lápices, rotuladores o Vestimenta de laboratorio  Batas, guantes, equipo protección individual (epi) o Servicios del laboratorio  Muebles, electricidad, luminosidad, gas, etc.

Ejemplos de materiales que influyen de manera más directa en los ensayos o calibraciones, así como en el mantenimiento de equipos son: 161

Metrología • • • • • •

Material Volumétrico Materiales de Referencia, Cepas patrón, Patrones control Reactivos (incluidos agua, diluyentes...) Aparatos “auxiliares” (autoclaves, baños, estufas...) Instalaciones “auxiliares” (cámaras, cab. flujo laminar...) Materiales y productos para mantenimiento

Material de referencia Material o sustancia en el cual uno o más valores de sus propiedades son homogéneos y bien definidos como para permitir utilizarlos para: • • •

suficientemente

la calibración de un instrumento, la evaluación de un método de medición, o la asignación de valores a los materiales.

En el caso de que se preparen Materiales de referencia internamente, su etiqueta deberá contener la siguiente información: • • • • • • •

Producto Concentración Disolvente Conservación Fecha de preparación Fecha de caducidad Preparado por

Procedimientos Es un servicio que agrupa una serie de actividades cuya ejecución permite alcanzar un mayor grado de confiabilidad en los equipos, máquinas, construcciones civiles, instalaciones. Objetivos del Mantenimiento •

Evitar, reducir, y en su caso, reparar, las fallas sobre los bienes ya mencionados.

•

Disminuir la gravedad de las fallas que no se lleguen a evitar.

•

Evitar detenciones inútiles o para de máquinas.

•

Evitar accidentes.

•

Evitar incidentes y aumentar la seguridad para las personas.

•

Conservar los bienes productivos en condiciones seguras y preestablecidas de operación.

•

Balancear el costo de mantenimiento con el correspondiente al lucro cesante.

•

Alcanzar o prolongar la vida útil de los bienes.

El mantenimiento adecuado, tiende a prolongar la vida útil de los bienes, a obtener un rendimiento aceptable de los mismos durante más tiempo y a reducir el número de fallas. Decimos que algo falla cuando deja de brindarnos el servicio que debía darnos o cuando aparecen 162

Metrología efectos indeseables, según las especificaciones de diseño con las que fue construido o instalado el bien en cuestión. Clasificación de las fallas Fallas Tempranas Ocurren al principio de la vida útil y constituyen un porcentaje pequeño del total de fallas. Pueden ser causadas por problemas de materiales, de diseño o de montaje. Fallas adultas Son las fallas que presentan mayor frecuencia durante la vida útil. Son derivadas de las condiciones de operación y se presentan más lentamente que las anteriores (suciedad en un filtro de aire, cambios de rodamientos de una máquina, etc.). Fallas tardías Representan una pequeña fracción de las fallas totales, aparecen en forma lenta y ocurren en la etapa final de la vida del bien (envejecimiento de la aislación de un pequeño motor eléctrico, perdida de flujo luminoso de una lampara, etc. Tipos de Mantenimiento 3.3 Técnicas de calibración La definición del término “calibración” en la norma mexicana NMX-Z-055:1996 IMNC MetrologíaVocabulario de Términos Fundamentales y Generales (VIM) es: Conjunto de operaciones que establecen, en condiciones especificadas, la relación entre los valores de una magnitud indicados por un instrumento de medida o un sistema de medida, o los valores representados por una medida materializada o por un material de referencia, y los valores correspondientes a esa magnitud realizados con patrones. La definición del término “verificación” en la norma mexicana NMX-Z-055:1996 IMNC MetrologíaVocabulario de Términos Fundamentales y Generales (VIM) es: Confirmación, mediante examen y adquisición de evidencias objetivas, del cumplimiento de las especificaciones. Objetivo Los objetivos de contar con un sistema de calibración/verificación son los siguientes: 1. Asegurar la trazabilidad de medidas y comparaciones 2. Comprobar que los equipos cumplen los requisitos establecidos y funcionan correctamente 3. Mejorar el conocimiento metrológico de los equipos y su utilización 4. Conocer las incertidumbres de los ensayos y calibraciones, asegurando que son compatibles con los requisitos solicitados 163

Metrología Principios Los principios que deberán seguirse para contar con un sistema de calibración /verificación son los siguientes: • Conocer qué equipos deben ser calibrados/verificados (los ajenos, siempre verificados) • Definir el sistema de calibración/verificación de cada uno • Agruparlos por categorías • Elaborar los procedimientos de calibración necesarios • Decidir criterios de aceptación-rechazo • Comprobar si se dispone de patrones • Establecer la periodicidad (Plan de Calibración/Verificación) • Decidir las fechas (Programa de Calibración/Verificación) • Realizar (o encargar externamente) las Calibración/Verificación • Emitir (o recibir) el Certificado de Calibración • Analizar los resultados de las Calibración/Verificación • Tomar decisiones en base a los criterios previos • Identificar cada equipo con su estado de calibración • Realizar el seguimiento de las actividades • Documentación. Historial de Calibración/Verificación Tablas de rugosidad La calidad de un producto está directamente relacionada a las desviaciones de éste con respecto al diseño original debido a fallas en los procesos de manufactura. Esto influye directamente en la funcionalidad de la pieza. Bajo ese punto de vista, la falla está definida por la incapacidad del tren de producción de funcionar de una manera esperada y, en la mayoría de los casos, se manifiesta en el producto en términos de calidad. En los procesos de maquinado, las características superficiales del producto influyen en su funcionalidad. La figura dominante en una superficie está influenciada por el método de maquinado, ya que cada tipo de herramienta de corte deja marcas distintivas en la superficie. Se pueden distinguir tres aspectos que influyen en la calidad de la superficie de los productos maquinados: 1. Condiciones y características de la herramienta. 2. Condiciones de operación de la máquina-herramienta. 3. Propiedades mecánicas de la pieza de trabajo. 164

Metrología El identificar la influencia que estos aspectos tienen en las superficies maquinadas permite mejorar los parámetros de corte, detectar eventuales fallas de maquinado (tales como vibraciones, malas sujeciones, etc) y encontrar situaciones de trabajo que den como resultado una mayor calidad en el producto. El término rugosidad superficial es cuantificado por parámetros relativos a características de la superficie (ver figura), tales como: a) Rugosidad, irregularidades más pequeñas y finamente separadas a lo largo de la más corta longitud de muestreo de la superficie maquinada, b) Ondulación, irregularidades más grandes, dentro del nivel siguiente superior de la longitud de muestreo. La separación de los picos y valles es mayor y la longitud de muestreo es, por lo tanto, más larga que la de rugosidad, c) Sesgo de superficie, se asocia con la orientación de la figura de la superficie. Esto describe la dirección de la figura dominante en la superficie, generada por el método de maquinado, d) Imperfecciones propias del material, éstas comprenden inclusiones de material, estrías, grietas, agujeros y otras deformaciones no intencionales de la superficie. La definición estándar de la rugosidad se representa con los parámetros Ra y Rz.

Figura. Vista amplificada de una superficie maquinada, rugosidad (R), ondulación (W), sesgo de la superficie (L), imperfecciones del material (F).

Las siguientes tablas muestran clases y longitudes de rugosidad.

165

Metrología

Tolerancias La primera pregunta que nos hacemos cuando medimos es: ¿Podemos conseguir una dimensión exacta? Las máquinas están sometidos a: desajustes, deformaciones de tipo elástico y térmico que dan lugar a imperfecciones dimensionales. En los sistemas de medida: tanto sus imperfecciones como los errores de apreciación también dan lugar a inexactitudes. 166

Metrología En la teoría el límite de exactitud estaría, en cuanto a los procesos de fabricación, en las rugosidades. En cuanto a la medida el límite podría ser el tipo de instrumento usado (láser). En la práctica no es necesario que las dimensiones sean absolutamente exactas sino que las piezas cumplan su función, lo que se podrá cumplir con las variaciones en las dimensiones que estarán comprendidas dentro de un intervalo de valores. Se denomina tolerancia dimensional a la anchura del intervalo de medidas permitido para una determinada dimensión. La norma UNE 1 120 96 equivalente a la norma ISO 406:1987 desarrolla los aspectos relativos a las tolerancias dimensionales. La fabricación en serie hace que se deba establecer el principio de intercambiabilidad, por lo que cualquier pieza de una serie debe ser capaz de sustituir a otra. Este principio exige que se deban establecer unos márgenes (tolerancia) dentro de los cuales la pieza será aceptable. Tolerancia afectan

→ medida de la pieza → Forma / posición elemento

Tolerancias dimensionales Tolerancias geométricas

Las tolerancias dimensionales fijan un rango de valores permitidos para las cotas funcionales de una pieza.

Cota funcional: cota que tiene importancia esencial en la función o funciones asignadas a una pieza En las tolerancias dimensionales, se utiliza los términos de agujero y eje para identificar a las medidas interiores y exteriores respectivamente.

Términos (uniones): • Agujero: • Eje

Variables y definiciones D d

El uso de ambos términos se debe a que la mayoría de uniones están compuestas por elementos cilíndricos, aunque no tiene por que ser así.

167

Metrología Por convenio: Letras mayúsculas para agujeros (D) y minúsculas para ejes (d). Dimensión: valor numérico de una longitud o ángulo.

Agujero

Eje

Dimensión nominal: Valor teórico de una dimensión, respecto al que se DN dN consideran las medidas límites. Dimensiones límites: valores extremos de la dimensión efectiva máxima DM dM mínima Dm dm Dimensión efectiva: valor real (medida) de una dimensión. De de Desviación o diferencia: diferencia entre una dimensión y nominal. Diferencia efectiva: diferencia entre la dimensión efectiva (real) y la nominal. Diferencia superior o inferior: diferencia entre dimensión máxima/mínima Ds,Di ds,di y la nominal Diferencia fundamental: es una cualquiera de las desviaciones límites (sup. o inf.) elegida convenientemente para definir la posición de la zona de tolerancia en relación a la línea cero. Línea de referencia o línea cero: línea recta que sirve de referencia para las desviaciones o diferencias y que corresponde a la dimensión nominal. Tolerancia: variación máxima que puede tener la pieza. T t Zona de tolerancia: zona cuya amplitud es la zona de tolerancia. Tolerancia fundamental: tolerancia que se determina para cada grupo de dimensiones y para cada calidad de trabajo.

168

Metrología

Para realizar cálculos utilizamos las siguientes expresiones:

Agujeros Ds=Di +T DM=Dm + T T=DM – Dm=Ds -Di DM=DN + Ds Dm=DN + Di

Ejes ds=di +t dM=dm + t t=dm – dm= ds - di dM=dN + ds dm=dN + di

Representación de las tolerancias. Con su medida nominal seguida de las desviaciones - - -

Unidades: las mismas que la dimensión nominal Si se usa otra unidad diferente al mm debe indicar en el cajetín del plano. Número de cifras decimales deber ser el mismo en las dos diferencias, salvo que una de ellas sea nula. • Ds/ds: encima de la inferior (ejes), agujeros) • si la diferencia es nula se expresa sin decimales • si la Ds = Di/di cambiada de sigo, se escribe el valor absoluto(+).

Con valores máximo y mínimo -

Si la medida está limitada en un sentido único, después de la cifra de cota debe ponerse la indicación máx o mín.

169

Metrología

Con la notación normalizada ISO -

Los símbolos ISO para representar las tolerancias dimensionales tienen 3 componentes: • • •

Primer componente: medida nominal Segunda componente: una letra representativa de la diferencia fundamental en valor y en signo, que indica la posición de la zona de tolerancia (agujero/eje). Tercera componente: un número representativo de la anchura de la zona de tolerancia (calidad de la tolerancia).

Tolerancia fundamental: tolerancia que se determina para cada grupo de dimensiones y para cada calidad de trabajo. Calidad de la tolerancia. En la tabla se muestran los valores fundamentales en micras para cada una de las 18 calidades y para cada uno de los 13 grupos de dimensiones.

170

Metrología

•

Desde el punto de vista de la dimensión nominal la norma presenta el Sistema ISO de tolerancias para dimensiones nominales comprendidas entre 0 y 500 mm.

•

Las tolerancias dimensionales tienen en cuenta la calidad de la pieza. La calidad o índice de calidad es un conjunto de tolerancias que se corresponde con un mismo grado de precisión para cualquier grupo de diámetros. Cuanto mayor es la calidad de la pieza, menor será la tolerancia.

•

La norma ISO distingue 18 calidades (o 18 grados de tolerancia) designados como IT01, IT0, IT1, …, IT16. A mayor número asociado, menor grado de calidad de la pieza.

•

Las calidades 01 a 3 para ejes y 01 a 4 para agujeros se usan para instrumentos de medida (calibres y piezas de alta precisión).

•

Las calidades 4 a 11 para ejes y 5 a 11 para agujeros, están previstos para piezas que van a estar sometidas a ajustes ( en construcción de máquinas).

•

Las calidades superiores a 11 se usan para piezas o elementos asilados que no requieren un acabado tan fino.

Normas sobre Gestión de la Calidad Normas Internacionales de la serie ISO 9000 La Organización Internacional de Normalización (ISO) es una federación mundial de organismos nacionales de normalización (Comités miembros de la ISO) . Los comités técnicos de la ISO se encargan por lo general de la elaboración de normas internacionales. Los comités miembros nacionales interesados por un tema particular tienen el derecho de formar parte del comité técnico creado para este efecto. Las organizaciones internacionales, tanto gubernamentales como no gubernamentales, relacionadas con la ISO participan igualmente en estos trabajos. La ISO colabora estrechamente con la Comisión Electrotécnica Internacional ( CEI ) en lo relativo a la normalización electrotécnica.

171

Metrología La publicación en 1987 de las Normas Internacionales de la serie ISO 9000 obedeció a exigencias básicas de los programas genéricos de gestión de calidad. Las normas de la serie ISO 9000 están redactadas en términos genéricos y son igualmente aplicables a empresas de servicios tales como bancos, hospitales, hoteles y restaurantes. Se desarrollaron principalmente para ser usadas dentro de las empresas y en las relaciones entre comprador y vendedor. Esta última aplicación implicaba para las empresas la posibilidad de evaluaciones múltiples y, en cierto número de países, la práctica de confiar la evaluación de sistemas de calidad de proveedores a organismos terceros, lo cual se ha desarrollado rápidamente. En la actualidad no existe ningún mecanismo de la ISO que rija el reconocimiento mutuo de certificados de registro emitidos por organismos terceros a empresas cuyos sistemas de calidad han sido evaluados. Sin embargo, para promover la convergencia entre las normas nacionales, el Comité del Consejo para la evaluación de la conformidad ( ISO/ CASCO ) ha preparado y publicado guías que forman parte de la colección de guías ISO/CEI. Algunas guías son aplicables directamente, como es el caso de la guía ISO/CEI 40 “ Requisitos Generales para la Aceptación de Organismos de Certificación” y de la guía ISO/CEI 48 “ Requisitos para la Evaluación y el Registro por Terceros del Sistema de Calidad de un Proveedor”, las cuales han sido adoptadas en muchos países tanto en sus reglamentos sobre programas de certificación como en normas nacionales o en normas regionales como es el caso de las Normas Europeas de la serie EN 45000 de CEN/CENELEC. Mientras que los certificados ISO 9000 en cuestión no se entregan en nombre de la ISO, se ha considerado necesario que la ISO juegue un papel en la diseminación de información sobre los programas nacionales que operan en los países miembros. BS 5750, La Norma La BS 5750 es una serie de normas que regulan la calidad en el Reino Unido, apareciendo antes de ISO 9000, y que sigue vigente en esta nación, siendo equivalentes sus normas a las de esta última. La norma BS 5750, que es la de los sistemas de calidad, tiene su origen en las compras militares. Debido a la naturaleza crucial de esos productos y a los problemas prácticos de investigar los productos defectuosos usados en las acciones, se puso énfasis en ver cómo se hacen los productos y en los sistemas de calidad de los proveedores correspondientes. Se fijaron normas apropiadas para los sistemas de calidad, incluso a nivel internacional (OTAN) para los gobiernos que cooperan y los gobiernos aliados y con normas nacionales correspondientes. En el Reino Unido hay una variedad de normas de la Defensa, por ejemplo, la 05-21. Cuando esas normas se establecen y se dan a conocer en toda la industria, aumenta la demanda de bienes o servicios comparables, fuera de los terrenos de la defensa. Es probable que esto haya conducido en 1.979 a la BS 5750. La versión corregida en 1.987 de la BS 5750 fue más amplia y continúa siendo la norma reconocida y aceptada para los sistemas de calidad. No solo se redactó la BS 5750 para cubrir actividades ajenas al abastecimiento militar, sino que también se trató de hacerla aplicable a nivel mundial. Por consiguiente, se puede aplicar a todos los sistemas de calidad de todas las organizaciones comerciales. Esto significa que además de ser pertinente en el caso de los fabricantes, también lo es para los proveedores de servicios; sin embargo, es improbable que un proveedor de servicios se sienta estimulado al leer la norma BS 5750. Resulta claro que el lenguaje, la terminología y las aparentes suposiciones, son más accesibles para el fabricante que para el proveedor de servicios. Incluso hay fabricantes ajenos al terreno de la ingeniería que sienten que la norma se escribió sin tomar en cuenta sus negocios. A pesar de esto, se intenta que la BS 5750 sea de aplicación universal; y, en la práctica, los elementos de fabricación 172

Metrología de la norma se pueden adaptar en todos los casos a la situación de los servicios, aún cuando estos son la base principal. La serie ISO 9000 es la norma internacional equivalente para los sistemas de calidad y, al igual que la BS 5750, está disponible en una serie de documentos. Aparte de algunas diferencias sobre la forma en que se expresa, el contenido de la serie ISO 9000 es igual al de la BS 5750, y las partes claves tienen sus números de equivalencias. Estos equivalentes no son coincidencia. La serie ISO 9000 se modeló sobre la BS 5750, que fue la pionera de los sistemas de calidad a nivel internacional. Una compañía que cumple con los requerimientos de la BS 5750 cumple también los del equivalente en la serie ISO 9000. El valor práctico de la equivalencia de BS 5750 e ISO 9000 se encuentra en la exportación o la realización de negocios por todo el mercado sencillo de la Comunidad Europea. En todas las naciones industrializadas existe una norma nacional para los sistemas de calidad, compatibles con la ISO 9000  ; y por consiguiente, la valoración y registro de la BS 5750 tienen reconocimiento mundial y valor comercial. BS 5750 y la serie ISO 9000   * Guía para la selección y uso de la parte apropiada de la norma. * Guía para toda la gerencia de calidad y elementos del sistema * Especificaciones de calidad para: Diseño/desarrollo, instalación y servicio. Producción conforme a especificaciones del cliente ( o especificaciones publicadas). Inspección final y pruebas.

BS 5750

Series ISO 9000

Parte 0/0,1

9000

Parte 0/0,2

9004

  Parte 1

  9001

Parte 2

9002

Parte 3 9003 Esquema de los * Esquema para los distribuidores (equivalen distribuidores que están a la parte 2 ). registrados, niveles A y B * Guía para el uso de partes 1,2 y 3. Parte 4 * Guía a la gerencia de calidad y elementos Parte 8 9004-2 de calidad para los servicios. Parte 13 * Guía para la aplicación de la BS 5750. Parte 1 para el desarrollo, suministro y   mantenimiento de software. (iniciativa Tick IT)

-

173

Metrología Normas Internacionales para Sistemas de Calidad

Internacional Australia

Especificaciones para diseño/desarrollo, producción, instalación y servicio. ISO 9001 :1.987 AS 3901

Austria

OE NORM-PREN 29001

Bélgica

NBN X 50-003

China Dinamarca Finlandia Francia Alemania Holanda Hungría India

GB/T 10300.2-88 DS/EN 29001 SFS-ISO 9001 NF X 50-131 DIN ISO 9001 NEN- ISO 9001 MI 18991-1988 IS : 10201 Parte 4

Irlanda

IS 300 Parte 1/ISO 9001

Italia

UNI/EW 29001-1.987

Malasia

MS 985/ISO 9001-1987

Nueva Zelanda Noruega

NZS 5601-1987 NS-EN 29001 :1988

Sudáfrica

SABS 0157 : Parte 1

España Suecia Suiza Túnez

UNE 66 901 SS-ISO 9001 :1988 SN-ISO 9001 NT 100.19-1987

Reino Unido

BS 5750 :Parte1

PAIS

Estados Unidos ANS/ASQC 091 Rusia 40.9001-88 Yugoslavia JUS A.K. 1012 C o m u n i d a d EN 29001 Europea  

Especificaciones para producción e instalación.

Especificaciones para inspección final y pruebas.

ISO 9002 :1987 AS 3902 OE NORMPREN29002

ISO 9003 :1987 AS 3903 OE NORMPREN29003

NBN X 50-004 GB/T 10300.3-88 DS/EN 29002 SFS-ISO 9002 NF X 50- 132 DIN ISO 9002 NEN- ISO 9002 NI 18992-1988 IS : 10201 Parte 5 IS 300 Parte2/ISO 9002 UNI/EN 29002-1987 MS 985/ISO 9002-1987 NZS 5602-1987 NS-ISO 9002 SABS 0157  : Parte II UNE 66 902 SS- ISO 9002 :1988 SN-ISO 9002 NT 110.20-1987 B S 57590  :1987  :Parte 2 ANSI/ASQC 092 40.9002-88 JUS A.K. 1013

NBN X 50-005 GB/T 10300.4-88 DS/EN 29003 SFS-ISO 9003 NF X 50- 133 DIN ISO 9003 NEN- ISO 9003 NI 18993-1988 IS : 10201 Parte 6 IS 300 Parte3/ISO 9003 UNI/EN 29003-1987 MS 985/ISO 9003-1987 NZS 5603-1987 NS-ISO 9003

EN 29002  

EN 29003  

SABS 0157 : Parte III UNE 66 903 SS- ISO 9003 :1988 SN-ISO 9003 NT 110.21-1987 BS 5750 :1987 :Parte 3 ANSI/ASQC 093   JUS A.K. 1014

Lista de Normas Internacionales sobre la gestión de la calidad ISO 8402 :1986

Calidad - vocabulario. Edición trilingüe.

DIS 8402

Gestión de la calidad y el aseguramiento de la calidad - vocabulario (Revisión de ISO 8402 :1986). Edición trilingüe.

ISO 9000 :1987

Normas para la gestión de la calidad y el aseguramiento de la calidad. Directrices para su selección y utilización.

174

Metrología DIS 9000-2

Normas para la gestión de la calidad y el aseguramiento de la calidad. Guías generales para la aplicación de ISO 9001,ISO 9002 e ISO 9003.

ISO 9001 :1987

Sistemas de la calidad. Modelo para el aseguramiento de la calidad en el diseño/desarrollo, la producción, la instalación, servicio post - venta.

ISO 9002 : 1987

Sistemas de la calidad. Modelo para el aseguramiento de la calidad en la producción y la instalación.

ISO 9003 :1987

Sistemas de la calidad. Modelo para el aseguramiento de la calidad en la inspección y los ensayos finales.

ISO 9004 : 1987

Gestión de la calidad y elementos de un sistema de calidad. Reglas generales.

ISO9004 :2 :1991

Gestión de la calidad y elementos de un sistema de calidad. Reglas para los servicios.

DIS 9004-3

Gestión de la calidad y elementos de un sistema de calidad. Reglas para materiales procesados.

DIS 9004-4

Gestión de la calidad y elementos de un sistema de la calidad. Reglas para la mejora de la calidad.

ISO10011-1:1990

Reglas generales para las auditorías de los sistemas de la calidad. Parte 1 : Auditorías.

ISO10011-2:1991

Reglas generales para la auditoría de los sistemas de la calidad. Parte 2 : Criterios para la cualificación de los auditores.

ISO10011-3:1991

Reglas generales para la auditoría de los sistemas de la calidad. Parte 3 : Gestión de los programas de auditoría.

Beneficios de los Sistemas de Calidad Basados en ISO 9000 Los beneficios tangibles de tales sistemas de la calidad incluyen:  Mejor diseño del producto.  Mejor calidad del producto.  Reducción de desechos, rectificaciones y quejas de los clientes.  Eficaz utilización de mano de obra, máquinas y materiales con el resultado de una mayor productividad.  Eliminación de cuellos de botella en la producción y creación de un clima de trabajo distendido, lo que conduce a unas buenas relaciones humanas.  Creación de una conciencia respecto a la calidad y mayor satisfacción de los empleados en el trabajo, mejorando la cultura de la calidad de la empresa.  Mejora de la confianza entre los clientes.  Mejora de la imagen y credibilidad de la empresa en los mercados internacionales, lo cual es esencial para el éxito en la actividad exportadora. 175

Metrología Medición y registros La definición del término “método de medición” en la norma mexicana NMX-Z-055:1996 IMNC Metrología-Vocabulario de Términos Fundamentales y Generales (VIM) es: Secuencia lógica de las operaciones, descritas de manera genérica, utilizada en la ejecución de las mediciones. Los métodos de medición pueden ser calificados en varias formas:  Método de substitución  Método diferencial  Método nulo o de cero Un procedimiento de medición es usualmente descrito en un documento llamado algunas veces “procedimiento” y que proporciona suficientes detalles para que un operador pueda realizar una medición sin necesitar más información. Metrología Dimensional En Metrología Dimensional, adicionalmente a los métodos para los que existen normas o publicaciones de referencia, se considerará como método normalizado aquel que represente la práctica común y consensuada de la especialidad. Por ejemplo, calibración de un instrumento por comparación con bloques patrón. Confirmación Metrológica. El laboratorio debe contar con elementos suficientes para demostrar la confirmación metrológica de un sistema de medición acorde al tipo de patrón utilizado y su clase de exactitud [PROY-NMX-IMNC-10012-2003], p. e. cartas de control, programa de calibración, verificaciones intermedias, etcétera. Trazabilidad de las Mediciones. El laboratorio debe garantizar y demostrar la trazabilidad de todas las calibraciones que realiza. Esto puede ser ilustrado mediante cartas de trazabilidad, pero deberán existir los documentos probatorios, tales como certificados emitidos por el CENAM o informes de calibración de un laboratorio con acreditación vigente al momento de realizar la calibración. La trazabilidad se dirige a los valores de los patrones nacionales y no a instituciones específicas. Todas las calibraciones en Metrología Dimensional, exceptuando las calibraciones que se realizan por interferometría, se hacen por comparación contra un patrón o instrumento “metrológicamente superior”, es decir, de mayor exactitud y con menor incertidumbre. Para las calibraciones típicas más conocidas, en general está bien establecida la superioridad metrológica del patrón utilizado respecto del instrumento calibrado. Por ejemplo, en el caso de la calibración de un micrómetro con bloques patrón. Metrología Eléctrica. Los criterios, bases y requisitos establecidos en esta unidad aplican cuando el servicio de calibración se realice por el método directo, el cual consiste en conectar directamente el Medidor bajo calibración (MBC) al generador de referencia, determinando el error entre el valor de la magnitud medida por el MBC y el valor de la magnitud generada por el generador de referencia. 176

Metrología Para los diferentes servicios de calibración, el laboratorio debe reunir los requerimientos indicados en la siguiente tabla para aplicar el método de medición:

Servicio de Calibración Medidores de tensión en corriente continua Medidores de tensión en corriente alterna Medidores de intensidad de corriente continua Medidores de intensidad de corriente alterna Medidores de potencia en corriente continua Medidores de potencia en corriente alterna Medidores de factor de potencia Medidores de ángulo de fase Medidores de resistencia eléctrica Medidores de capacitancia (simulación electrónica Indicadores de temperatura que operen con RTD’s

Indicadores de temperatura que operen con termopares

Requerimientos para aplicar el método de medición El laboratorio debe demostrar cómo minimiza el efecto del cable de interconexión entre el generador de referencia y el MBC, indicando su impacto en los diferentes intervalos de medición, así como la selección del mismo. El laboratorio debe demostrar cómo minimiza el efecto del cable de interconexión entre el generador de referencia y el MBC, indicando su impacto en los diferentes intervalos de medición, así como la selección del mismo. El laboratorio debe demostrar que utiliza una unión de referencia, ya sea interna (compensación electrónica del generador) o externa. Cuando la unión de referencia sea externa el laboratorio debe demostrar que utiliza técnicas adecuadas para obtener una temperatura estable de 0 °C con incertidumbre conocida, evaluada por el laboratorio.

Documentos de consulta El laboratorio debe consultar en los manuales de operación de su generador de referencia y del MBC las condiciones ambientales de operación necesarias para mantener en valores conocidos la incertidumbre asociada a la estabilidad del generador de referencia. El laboratorio debe consultar las recomendaciones del fabricante del generador de referencia y del MBC para la ejecución de las funciones de autocalibración, los tiempos de estabilización requeridos, configuraciones de operación. así como recomendaciones generales para operar adecuadamente ambos instrumentos de medición. Procedimiento de medición El laboratorio debe contar con procedimientos de medición preferentemente por magnitud indicando claramente las consideraciones para los diferentes intervalos de calibración del medidor bajo calibración. Un procedimiento debe contener como mínimo: objetivo, alcance del servicio de calibración, condiciones de medición, descripción del método de medición, diagrama de conexiones, modelo matemático, estimación de la incertidumbre y referencias. De no estar contenida toda la información en un mismo procedimiento, el mismo procedimiento deberá hacer referencia a los procedimientos 177

Metrología que incluyan los requerimientos indicados. Los métodos de medición descritos en los procedimientos del laboratorio deben estar validados. Elementos de trazabilidad El laboratorio debe contar con registros y seguimiento metrológico de su generador de referencia y de su patrón de verificación, debe presentar un programa de verificaciones periódicas de su patrón de referencia así como los registros que muestren los valores obtenidos de la verificación. Debe presentar un programa de calibración del generador de referencia el que puede basarse en las especificaciones del fabricante del mismo, generalmente un año, (si las especificaciones están declaradas en periodos menores se requerirá que las calibraciones se realicen con la frecuencia que indican dichos periodos), o de acuerdo al seguimiento metrológico que el laboratorio tenga de su generador de referencia con el que asegure que puede calibrarlo en periodos diferentes al señalado por el fabricante. El laboratorio debe aplicar las correcciones indicadas en el certificado o informe de calibración de su generador de referencia, cuando no lo haga, debe demostrar que el no aplicarlas no tiene impacto alguno en la trazabilidad de las mediciones. Si en el periodo de calibración del generador de referencia se encuentra que está fuera de sus especificaciones de exactitud a un año, el laboratorio debe calcular y aplicar las correcciones necesarias a los valores de su generador de referencia. Cuando el generador de referencia haya sido ajustado, éste debe calibrarse nuevamente contra un patrón de mayor calidad metrológica. El laboratorio debe registrar los cambios en los valores de medición del generador de referencia una vez calibrado. De igual manera si el laboratorio, a solicitud del cliente, realiza ajustes al MBC, el informe de calibración debe indicar los resultados antes del ajuste y posteriores al mismo. Criterios requeridos para corroborar la trazabilidad de los valores de medición del generador de referencia. De acuerdo con el artículo 24 del Reglamento de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización los laboratorios acreditados deben tener patrones cuyos valores sean trazables a los valores de los patrones nacionales correspondientes, excepto en el caso de que no se cuente con el patrón nacional y se reconozca la trazabilidad a los valores de algún laboratorio extranjero cuando la Secretaría de Economía haya celebrado un acuerdo de reconocimiento mutuo o lo haya aprobado. En este entendido los laboratorios que cuenten con generadores de referencia o equipo de nueva adquisición no podrán sustentar su trazabilidad con certificados de origen emitidos por el fabricante del equipo. El laboratorio debe asegurar la capacidad de medición para puntos intermedios en el alcance de los servicios de calibración. En este sentido debe contar con métodos de medición que permitan asegurar la incertidumbre de la medición, contando con algunos puntos de calibración de su generador de referencia y a partir de esos puntos ser capaz de realizar mediciones. Para asegurar los valores de los puntos que calibrará en el MBC, el laboratorio debe conocer la linealidad y planicidad en frecuencia de su generador de referencia, tomando en cuenta este criterio el laboratorio debe calibrar su generador de referencia en los puntos descritos a continuación: En al menos dos puntos entre el 10 % y el 100 % en cada intervalo, para calibrar medidores de tensión en corriente continua. 178

Metrología En al menos un punto entre el 10 % y el 100 % en cada intervalo, para calibrar medidores de intensidad de corriente continua, capacitancia y resistencia eléctrica. Para calibrar medidores de tensión eléctrica en corriente alterna, en al menos un punto en cada intervalo de tensión / frecuencia y para los correspondientes a los intervalos de 40 Hz a 10 kHz, en al menos tres frecuencias por intervalo de tensión. Para calibrar medidores de intensidad de corriente alterna, en al menos un punto en cada intervalo de intensidad de corriente en al menos dos frecuencias en el intervalo donde encuentre la frecuencia de 60 Hz y en al menos un punto corriente / frecuencia para los demás intervalos de frecuencia. Metrología Hidráulica y Neumática. A continuación se especifican los lineamientos mínimos que deben ser considerados para realizar el método de comparación directa en la calibración de manómetros, transductores y transmisores de presión, incluyendo el sistema de medición. Método de medición Comparación directa: Comparación de las lecturas del instrumento bajo calibración contra las lecturas del patrón utilizado conectados a la misma fuente de generación de presión, garantizando la hermeticidad del sistema. Procedimiento de medición Debido a la diferencia en la toma de lectura entre los instrumentos que miden presión se presentan dos procedimientos, descritos a continuación. Procedimiento para manómetros 1. Verificar si el manómetro está dentro del alcance de medición. 2. Revisión de condiciones físicas del manómetro a calibrar (escala, impurezas, hermeticidad, índice, integridad física, etc.). 3. La calibración se desarrollará después de establecido el equilibrio térmico entre el manómetro a calibrar, sistema de calibración y el medio ambiente. 4. Conectar el manómetro en su posición de trabajo en el sistema de calibración. 5. Verificar la hermeticidad del sistema de calibración incluyendo el manómetro a calibrar al 100 % del alcance de calibración. 6. Determinar los niveles de referencia para los equipos. 7. Seleccionar los puntos mínimos de medición de acuerdo a la siguiente tabla.

Clase de exactitud CE ≤ 0,5 % 0,5 % < CE ≤ 2 % CE > 2 %

No. De puntos mínimos a calibrar 8 5 3 179

Metrología Los puntos deberán incluir un punto al 10%, otro al 50% y otro entre el 90% y 100% del alcance de medición del manómetro. Los restantes deberán ser distribuidos uniformemente a lo largo del alcance de medición. El cero no se considera un punto de calibración. 8. Aplique presión hasta el 100% del alcance de medición del manómetro bajo calibración por lo menos 2 veces, manteniéndola 1 minuto cuando menos en cada aplicación. 9. Antes de iniciar cada ciclo de calibración se deberá establecer el cero del manómetro bajo calibración. 10. Tomar como mínimo 3 repeticiones en cada punto de medición, realizadas en 2 ascensos y 1 descenso. 11. Las lecturas deberán estar de acuerdo a la resolución del manómetro. 12. Se deberán realizar las correcciones necesarias para las magnitudes de influencia del sistema de calibración y manómetro bajo calibración en cada punto de medición. 13. Determinar el error de medición del manómetro bajo calibración de acuerdo a la siguiente ecuación.

Ei = LM i − LPi

Donde: Ei es el error promedio del manómetro en el i-ésimo punto de medición.

LM i es la lectura promedio corregida del manómetro en el i-ésimo punto de medición. LPi es la lectura promedio corregida del patrón en el i-ésimo punto de medición. 14. Los resultados deberán ser expresados en una tabla que contengan como mínimo los valores del patrón, manómetro, error de medición y acorde a la resolución del manómetro. 15. Al menos los resultados del patrón deberán ser expresados en múltiplos o submúltiplos de Pa y en la unidad del manómetro bajo calibración, expresando el factor de equivalencia. Procedimiento para transductores y/o transmisores de presión 1. Verificar si el transductor o transmisor está dentro del alcance de medición. 2. Revisión de condiciones físicas del transductor o transmisor a calibrar (impurezas, hermeticidad, integridad física, etc.). 3. Conecte eléctricamente el transductor o transmisor de acuerdo a las especificaciones del fabricante, permitiendo el calentamiento del transductor o transmisor ocasionado por el funcionamiento de la electrónica del mismo. 4. La calibración se desarrollará después de establecido el equilibrio térmico entre el transductor o transmisor a calibrar, sistema de calibración y el medio ambiente. 5. Conectar el transductor o transmisor en su posición de trabajo en el sistema de calibración 6. Verificar la hermeticidad del sistema de calibración incluyendo el transductor o transmisor a calibrar al 100 % del alcance de calibración. 7. Determinar los niveles de referencia para los equipos. 180

Metrología 8. Seleccionar los puntos mínimos de medición de acuerdo a la siguiente tabla.

Clase de exactitud CE ≤ 0,5 % 0,5 % < CE ≤ 2 % CE > 2 %

No. de puntos mínimos a calibrar 8 5 3

Los puntos deberán incluir un punto al 10%, otro al 50% y otro al 100% del alcance de medición del manómetro. Los puntos restantes deberán ser distribuidos uniformemente a lo largo del alcance de medición. El cero no se considera un punto de calibración. 9. Aplique presión hasta el 100% del alcance de medición del transductor o transmisor bajo calibración por lo menos 2 veces, manteniéndola 1 minuto cuando menos en cada aplicación. 10. Antes de iniciar cada ciclo de calibración se deberá de establecer el cero del transductor o transmisor bajo calibración. 11. Asegurar que el cero del indicador utilizado para medir la señal de salida se corrige (p. e. si se tiene un corrimiento de 3 mA deberá ser corregido para todas las lecturas). 12. Tomar como mínimo 3 repeticiones en cada punto de medición, realizadas en 2 ascensos y 1 descenso. 13. Las lecturas deberán estar de acuerdo a la exactitud del transductor o transmisor. 14. Se deberán realizar las correcciones necesarias para las magnitudes de influencia del sistema de calibración y transductor y/o transmisor bajo calibración en cada punto de medición. 15. Al menos los resultados del patrón deberán ser expresados en múltiplos o submúltiplos de Pa y en la unidad del manómetro bajo calibración, expresando el factor de equivalencia. Metrología Térmica. El método de calibración es la comparación de la lectura de un termómetro de referencia con la del termómetro bajo calibración, colocados ambos simultáneamente en un baño líquido y con temperatura controlada. Método de calibración El método de calibración consiste en sumergir tanto al termómetro patrón como a los termómetros que se calibran en el líquido del baño, bajo condiciones que permitan que los sensores de cada uno de ellos alcancen la temperatura del baño. La toma de lecturas debe iniciarse cuando se asegure que la temperatura de los termómetros ha alcanzado un valor estable. •

El laboratorio debe establecer, en sus documentos relacionados con el proceso de calibración, el criterio de estabilidad que emplea.

•

El criterio de estabilidad se debe determinar o definir sobre la base del estudio de 181

Metrología caracterización de estabilidad del baño, realizado con anterioridad o por referencias técnicas confiables, es decir, aquellas que presenten el respaldo técnico correspondiente. •

La información de características de equipos (publicada por fabricantes y distribuidores de equipos) sin el respaldo técnico correspondiente, no es una referencia confiable.

Procedimientos de calibración Los procedimientos de calibración del laboratorio deben: • •

Cumplir con los requisitos de la sección 5.4 de la norma NMX-EC-17025-2000, y Apegarse a los Apéndices B y C de la norma NOM-011-SCFI-2003.

Los elementos mínimos que se recomienda estén contenidos en un procedimiento de calibración se indican en la siguiente tabla. El orden puede ser diferente, aunque sin perder una secuencia lógica. La columna de la derecha señala la información que se espera esté contenida en cada uno de esos elementos. Tabla 2. Elementos mínimos en los procedimientos de calibración 1. Título

Indicar el tipo de termómetros contemplados en el procedimiento y el método utilizado. Por ejemplo: “Calibración de termómetros de líquido en vidrio de inmersión parcial por el método de comparación en un baño de líquido controlado térmicamente”.

2. Objetivo

Indicar cuál es el resultado que se espera de la calibración. Por ejemplo “Determinar los valores de corrección reducida de las indicaciones del termómetro bajo calibración en el intervalo definido por las temperaturas de calibración”.

3. Alcance

Indicar los tipos y características de termómetros y los intervalos de temperatura en que pueden ser calibrados al ejecutar las instrucciones del procedimiento. Por ejemplo: “Calibración de termómetros de líquido en vidrio de inmersión parcial, con longitudes totales desde 25 cm hasta 35 cm, desde –10 °C hasta 110 °C en baño de mezcla de etilenglicol y agua o desde 90 °C hasta 150 °C en baño de aceite”.

4. Descripción del método

5. Desarrollo 182

Indicar: • El tipo de termómetro al que aplica en función de su inmersión, que puede ser total o parcial. • Que se trata de una calibración por comparación contra las temperaturas indicadas por un termómetro patrón y las condiciones que permiten suponer que el termómetro que se calibra se encuentra a la misma temperatura. • El equipo requerido. Identificar al instrumento (si lo hubiera) que en conjunto con el termómetro patrón, indica los valores de la temperatura de calibración. • Si es necesario realizar interpolaciones entre la magnitud termométrica medida con el patrón y la temperatura. Por ejemplo, de resistencia eléctrica a temperatura si se trata de un termómetro de resistencia de platino. 5. Desarrollo Véanse los párrafos siguientes.

Metrología 5.1 Definición de los puntos de calibración

Indicar el (los) criterio(s) que usa el metrólogo para elegir los puntos y sus valores de temperatura en los que se van a calibrar los termómetros.

5.2 Verificación y preparación del termómetro que se calibrará

Indicar: • Cuáles defectos hacen no apto al termómetro para ser calibrado: motivos de rechazo. • Cuáles defectos pueden corregirse y la manera de hacerlo. Por ejemplo la reunión de una columna separada. • Los requisitos que debe cumplir el termómetro antes de iniciar la calibración. Por ejemplo, dar un tiempo razonable para que el tallo del termómetro alcance la temperatura del laboratorio, luego de haber sido transportado y expuesto a temperaturas distintas a las de las condiciones de la calibración.

5.3 Preparación de la referencia a 0 °C

Indicar: • El método para obtener la referencia a 0 °C. Por ejemplo puede ser un baño de hielo, una celda de punto triple de agua, o un baño termostático. • En caso de baño de hielo, la manera de asegurar la calidad del agua y la manera de prevenir la contaminación del hielo durante la preparación. • En el caso de un baño termostático, la manera de medir la temperatura de su líquido para reducir el efecto de las variables de influencia.

5.4 Determinación de la resolución del termómetro

Indicar la manera de definir la resolución del termómetro, diferenciándola de la división mínima, cuando sea necesario.

5.5 Selección del patrón y del fluido en el que se sumergirán los sensores de los termómetros

Indicar cuál es el patrón de acuerdo al intervalo definido por las temperaturas de calibración y el tipo de fluido que se debe usar en cada sub-intervalo. Por ejemplo “mezcla de etilenglicol y agua para el intervalo de -10 °C a 110 °C y aceite de silicón para el intervalo de 90 °C a 150 °C”.

5.6 Montaje y preparación para la toma de datos

Indicar: • los requisitos que se deben cumplir en el montaje en función del tipo de inmersión del termómetro (parcial o total), • los accesorios de montaje, • la manera de reducir y controlar el “error de paralaje” en las lecturas del termómetro bajo calibración.

5.7 Cuando aplique, la corrección por columna emergente 5.8 Toma de lecturas

Siempre que exista una columna emergente del fluido termométrico, tanto en el instrumento bajo calibración como en el patrón (si éste fuera de líquido en vidrio), debe indicarse cómo realizar la corrección respectiva. Indicar: • cuáles lecturas se deben tomar; • el número de lecturas que se toma de cada instrumento: del patrón, de los instrumentos que se calibran y de los termómetros auxiliares, si los hubiera. • Dónde se registran los datos obtenidos.

183

Metrología

5.9 Manejo datos

de

Indicar el tratamiento que se da a los datos experimentales antes de ser usados como variables de entrada en el modelo del mensurando. Por ejemplo: • Cálculo de promedios de lecturas, • Desviaciones estándar, • Estimación de la temperatura promedio de la columna emergente.

5.10 Correcciones

Indicar cuáles son las correcciones que se deben aplicar, así como su origen. Por ejemplo: • A las lecturas del termómetro patrón que provienen de su informe de calibración. • Cuando el valor de la temperatura promedio de la columna emergente difiere del valor especificado en la tabla que corresponde al termómetro que se calibra (requisito de la norma NOM-011-SCFI-2003 o la ASTM-E1-03A).

6. Resultados

Indicar cuáles son los resultados que se incluirán en el informe de calibración.

7. Estimación de la incertidumbre

Indicar, para cada una de las fuentes de incertidumbre de la calibración: • su tipo “A” o “B”; • el tipo de distribución asociada; • la manera de reducirlas al nivel de confianza de al menos 68 % para su combinación; • su número de grados de libertad; • el modelo para calcular la incertidumbre combinada, y • la manera de estimar el número efectivo de grados de libertad de la incertidumbre combinada.

8. Expansión de la incertidumbre

Indicar la manera de elegir al factor de cobertura, para obtener un nivel de confianza de al menos 95 %.

9. Informe resultados

Incluir cada uno de los elementos solicitados por la sección 5.10 de la norma NMX-EC-17025-IMNC-2000 o la justificación de hacerlo de una manera simplificada cuando se trate de calibraciones internas (para el mismo laboratorio).

de

10. Referencias; bibliografía

Indicar los documentos que respaldan a las instrucciones contenidas en el procedimiento.

11. Revisiones

Indicar el número, fecha y responsables de la revisión del documento.

Metrología Mecánica Es el par torsional aplicado a un cuerpo o máquina, en este caso, es el par orsional aplicado a un instrumento de medición con el propósito de determinar su error de calibración. La herramienta de medición de par torsional, se denominará en lo sucesivo “torquímetro”, cuyo resultado de medición se obtiene mediante la lectura en el dispositivo indicador, o en ocasiones, mediante valores ingresados en tablas o ecuaciones que nos permitan obtener el resultado de la medición expresado en unidades de par torsional del SI. Intervalo típico de medición El límite superior de medición quedará acotado por capacidad de los equipos, sin embargo el límite inferior típicamente se establece al 10 % del alcance de medición. 184

Metrología Incertidumbre de medición esperada La incertidumbre resultante no podrá ser menor que la incertidumbre de los patrones asociados en la calibración. Por lo general no se evalúa la conformidad debido a que no existe norma aplicable, por lo que para realizar el servicio se debe mantener una relación de exactitudes entre el patrón y el equipo calibrado de 4:1. Para casos de “torquímetros” de mejor exactitud esta relación podría llegar a ser 1:1. Método y Sistema de Medición A continuación se especifica los lineamientos mínimos que deben ser considerados para realizar el método de comparación directa en la calibración de “torquímetros”. Método de medición Comparación directa: Comparación de las lecturas observadas del dispositivo indicador del “torquímetro” y el instrumento patrón al establecer entre ellos el par torsional. Procedimiento de medición 1. Verificar que el “torquímetro” a calibrar esté dentro del alcance de medición del laboratorio. 2. Verificar que se mantiene trazabilidad del instrumento patrón. 3. Verificación general del “torquímetro” (operación, funcionamiento, conservación adecuada de elementos auxiliares y cuidados en la instalación). 4. Permitir el equilibrio térmico del (los) instrumento (s) patrón y del “torquímetro” a las condiciones que se realizará la calibración. 5. Verificar la adecuada alineación de ejes y planos de medición del instrumento patrón y del “torquímetro” bajo prueba durante el montaje y la calibración (puntos de aplicación de la carga). 6. Verificar la aplicación de precargas para eliminar histéresis en los instrumentos. 7. Verificación del error de cero del “torquímetro”. 8. Definir el método de toma de lectura (prefijación del punto de medición en “torquímetro” o en el patrón). 9. Definir los puntos de calibración del “torquímetro” (mínimo 5 puntos dentro de la escala uniformemente distribuidos). 10. Verificar que se realizan un mínimo de 3 series de lecturas repetidas en ascenso de acuerdo al punto 9 para obtener información sobre la repetibilidad. 11. V  erificar que el laboratorio define claramente el (los) modo(s) en que se realiza la calibración (sentido horario o anti horario). Confirmación petrológica El laboratorio deberá demostrar objetivamente que la realización de la magnitud se mantiene en conformidad en todo momento, además de contar con mecanismos para detectar oportunamente cualquier desviación [ISO 10012-2000] (p.e. cartas de control, programa de calibración, verificaciones intermedias con otros patrones internos, inspecciones oculares, pruebas de repetibilidad y reproducibilidad, etc.). 185

Metrología Ejemplos: 1. La lectura del patrón no tiene oscilaciones ni derivas en el caso de un método secundario. 2. La carga de la batería en cualquiera de los instrumentos de medición (patrón y el equipo bajo calibración) es adecuada. 3. Verificar la respuesta del sistema de calibración de par Torsional respecto al tiempo en el momento de la evaluación. Los lapsos de calibración normalmente oscilan en periodos de 1 a 2 años, sin embargo el laboratorio debe demostrar que los periodos son adecuados. Trazabilidad de las Mediciones La trazabilidad de las mediciones de los instrumentos de par Torsional debe ser a patrones nacionales, evidenciada con los respectivos certificados o informes de calibración. Utilidad de la trazabilidad La trazabilidad es la propiedad de las mediciones que permite hacer comparaciones entre ellas, por lo que es indispensable para construir la confianza en las mismas. Cabe subrayar que sólo tienen sentido las comparaciones entre medidas asociadas a una misma magnitud. La trazabilidad de una medición está relacionada con la diseminación de la unidad correspondiente a esa medición. La expresión del valor de una magnitud incluye la referencia a una unidad de medida, la cual ha sido elegida por acuerdo, y por tanto, las medidas de la misma magnitud deben estar referidas a la misma unidad. Aún cuando la definición de trazabilidad no impone limitaciones sobre la naturaleza de las referencias determinadas, es conveniente lograr la uniformidad universal de las mismas mediante el uso de las unidades del Sistema Internacional de Unidades, SI, las cuales ya han sido convenidas en el marco de la Convención del Metro. En México, es obligatorio el uso del Sistema General de Unidades, el cual contiene a las unidades del SI. La definición de cada una de las unidades del SI puede llevarse a la práctica mediante el uso de algún instrumento, artefacto o sistema de medición, lo cual de hecho, es la realización física de la unidad de medida. Un patrón nacional de medida se establece mediante la realización física de una unidad de medición, con la característica de que mantiene, tanto la menor incertidumbre de medición en una nación, cuanto la comparabilidad con patrones nacionales de otros países. El patrón nacional constituye el primer eslabón de la cadena de trazabilidad en una nación. Estas realizaciones están usualmente bajo la responsabilidad de los institutos nacionales de metrología, quienes diseminan las unidades de medición al siguiente eslabón en la cadena de trazabilidad. Las calibraciones de instrumentos o patrones de medición constituyen los eslabones de la cadena de trazabilidad. Los materiales de referencia certificados constituyen un patrón de referencia para la medición de propiedades de los materiales. Por ejemplo, la cantidad certificada de un líquido en una muestra de sal, es un material de referencia certificado para la medición de humedad. Existen algunos mensurandos definidos por un método de medición, y en tales casos la aplicación estricta de los métodos constituye el eslabón de la cadena de trazabilidad. Las magnitudes derivadas tienen trazabilidad originada en más de una referencia determinada, en cuyo caso aparecen varias cadenas de trazabilidad que parten de las unidades base que componen la unidad derivada, y se encuentran en un punto de concurrencia que eventualmente conecta a las medidas bajo examen. Nuevamente, las cadenas pueden estar constituidas por calibraciones o por la aplicación apropiada 186

Metrología de los métodos correspondientes. Elementos de la trazabilidad Carta de trazabilidad Los criterios relativos a la trazabilidad de las medidas deben atender los elementos siguientes: a) el resultado de medición cuya trazabilidad se desea mostrar; b) las referencias determinadas, preferentemente patrones nacionales o internacionales; c) cadena de comparaciones, es decir conjunto de calibraciones o, en su caso, la comparación con el material de referencia certificado, que conecta el resultado de la medición con las referencias determinadas; donde se debe demostrar al menos evidencia del eslabón anterior p.e. la calibración ejecutada por un laboratorio acreditado considerando que en la evaluación de éste laboratorio fue considerada la existencia de la trazabilidad. d) el valor de la incertidumbre de las mediciones, en cada eslabón preferentemente; e) la referencia al procedimiento de calibración, en cada eslabón preferentemente; f) la referencia al organismo responsable de la calibración en cada eslabón. Cuando el mensurando es definido por el método medición, el inciso c) se sustituye por la referencia al método de medición; por ejemplo en la determinación de sólidos suspendidos totales. Los siguientes equipos deberán estar calibrados para asegurar la trazabilidad e incertidumbre de la medición para la calibración de un “torquímetro”. - -

Instrumento patrón Nivel, regla y vernier.

Para asegurar que la trazabilidad e incertidumbre de la medición para la calibración de “torquímetros”, en los equipos antes mencionados, el periodo de calibración deberá ser como se definió para el patrón. Para mantener la trazabilidad del patrón de par torsional deben observarse criterios básicos. Entre otros se encuentran los siguientes: •

Verificar la limpieza de las masas del sistema de calibración tipo primario

•

Verificar visualmente el buen estado físico de las pesas (ralladuras, oxido, cavidad de ajuste)

•

Observar el libre giro del rodamiento del brazo generador del par torsional (si el sistema lo contempla) y del control de la sensibilidad del sistema.

•

Comprobar que se mantiene la perpendicularidad del brazo generador del par torsional con su eje de giro.

•

Verificar la nivelación y orientación de ejes de aplicación.

•

Verificar puntos de aplicación de fuerza en el sistema.

•

Observar que no exista desgastes y daños en acoplamientos (dados). 187

Metrología •

Verificar que las cargas máximas aplicadas por el sistema estén dentro de los límites de resistencia de materiales.

Interpretación de resultados La norma NMX-EC-17025-IMNC-2000 “Requisitos generales para la competencia de los laboratorios de ensayo y calibración”, establece que los resultados de cada calibración llevadas a cabo por el laboratorio, deben ser informados exactamente, claramente, sin ambigüedad, objetivamente y de acuerdo con cualquier instrucción específica en los métodos de ensayo y calibración. Los resultados deben ser informados en un informe de calibración y debe incluir toda la información requerida por el cliente (interno o externo) y necesaria para la interpretación de los resultados de calibración, y toda la información requerida por el método usado. El certificado de calibración debe relacionar solamente las magnitudes y los resultados de los ensayos funcionales. Si se hace una declaración de conformidad con una especificación, esta declaración debe identificar que cláusulas de la especificación se cumplen o no se cumplen. Cuando se hace una declaración de conformidad con una especificación omitiendo los resultados de medición, el laboratorio debe registrar esos resultados y mantenerlos para posibles referencias futuras. Cuando un instrumento de calibración ha sido ajustado o reparado, los resultados de calibración antes y después del ajuste o la reparación, se deben informar. Cuando se incluyen opiniones e interpretaciones, el laboratorio debe documentar las bases sobre las cuales se han realizado las opiniones e interpretaciones. Las opiniones e interpretaciones deberán ser claramente marcadas como tales en un informe de ensayo o calibración. Las opiniones e interpretaciones incluidas en un informe de ensayo o calibración pueden comprender, pero no estar limitadas a lo siguiente: • • • •

Una opinión sobre la declaración de cumplimiento/no cumplimiento, conformidad/no conformidad de los resultados a requisitos; El cumplimiento de los requisitos contractuales; Recomendaciones sobre como usar los resultados; Directrices a ser utilizadas para mejoras.

3.4 Equipos de calibración •

Herramientas

Casi todas las personas que trabajan en diferentes oficios se han lesionados con una herramienta de mano. Creemos que el accidente va a ser pequeño. Pero muchas veces no lo es. Es mejor anticipar que de todas modos va a pasar. Las herramientas de mano pueden causar accidentes serios. Podría perder hasta un ojo o un dedo. Una herramienta manual, de mano, ya sea, destornillador o un hacha, es de mucho peligro cuando no es usada correctamente o no se mantiene en buena condición. 188

Metrología Las herramientas de mano también pueden contribuir a lesiones “ergonómicas.” Estas son lesiones en los músculos, tendones, coyunturas y nervios. Incluyen estirones y torceduras en muchas partes del cuerpo, tendonitis y el síndrome del túnel carpiano. Las lesiones ergonómicas pueden ocurrir en poco tiempo o se pueden desarrollar con el tiempo. Siempre escoja la herramienta correcta para el trabajo. Está invitando un problema si usa una herramienta para hacer el trabajo para el cual no fue diseñada. Puede dañar la herramienta, arruinar su trabajo y lesionarse usted. .Reglas de seguridad para el uso de las herramientas de mano •

Use la herramienta correcta para el trabajo. Nunca use la herramienta para lo cual no ha sido diseñada. Asegúrese de familiarizarse con las herramientas y de saber cómo usarlas.

•

Escoja herramientas que se ajusten a las manos cómodamente, tengan mangos lisos que no corten la mano y no son muy pesadas.

•

Mantenga los pies firmes y balanceados cuando use las herramientas. El área donde trabaja no debe estar resbalosa o desordenada.

•

Use herramientas en superficies estables. Mantenga el trabajo con un sargento o prensa, si es necesario.

•

Use herramientas en un área con buena iluminación.

•

Evite posiciones incómodas cuando usa herramientas de mano. Algunas herramientas están mal diseñadas y le forzarán a estirar innecesariamente la muñeca, brazo, hombro o espalda. Use herramientas con un diseño mejor. Por ejemplo, mangos más largos pueden disminuir el estirarse para alcanzar. A veces el ángulo entre el mango y la herramienta puede mantener la muñeca derecha.

•

Asegúrese de tener suficiente espacio para trabajar y de que pueda mantener su cuerpo a un ángulo cómodo. Ajuste la posición de la herramienta o la orientación de la superficie del trabajo, para disminuir el doblar su muñeca o cuerpo, estirarse o torcerse.

•

Mantenga las herramientas donde deben estar. Nunca las deje en escaleras, andamios o en lugares sobre la cabeza. Manténgalas donde no le caigan a alguien o donde nadie se tropiece en ellas.

•

Cargue las herramientas apropiadamente. Use un cinturón para las herramientas, especialmente cuando esté en una escalera. Asegúrese de que el cinturón para las herramientas no esté muy pesado. Puede lastimar su cintura y caderas. Cargue solamente las herramientas esenciales.

Asegúrese que sus herramientas están en buena condición. •

Mantenga las herramientas limpias. Manténgalas lejos del agua, aceites, substancias químicas y superficies calientes que las puedan dañar.

•

Inspeccione las herramientas todos los días antes de usarlas. Revíselas el filo, picaduras, deformado (mushrooming) desgaste y fatiga. También esté seguro de que los tornillos y tuercas estén apretados.

•

Remueva del uso las herramientas dañadas o defectuosas. Márquelas: NO USE.

•

Si herramienta defectuosa es de la compañía, entréguela al supervisor después de que la marque para quesea reparada o la boten. Será reparada o botada. 189

Metrología •

Si usted es el dueño de la herramienta defectuosa, después de marcarla, póngala en su carro inmediatamente. Sáquela del lugar de trabajo lo más pronto posible.

•

Nunca use herramientas dañadas o defectuosas hasta que hayan sido apropiadamente reparadas.

Precauciones que se deben tomar cuando usa hojas de segueta, cuchillos u otras herramientas con filo. •

Mantenga las hojas de cortar, cuchillos, tijeras y otras herramientas, con filo. Las herramientas sin filo son más peligrosas que las que tienen buen filo.

•

Deje que el filo haga el trabajo—no fuerce la herramienta.

•

Mantenga su cuchillo en su estuche o vaina.

•

Con cualquier herramienta con filo, siempre corte al lado opuesto de su cuerpo. (Excepto con cuchillas estilo pico de lora.)

•

Manténgase siempre alerta.

Si usa herramientas especiales cuando trabaja cerca de materiales inflamables •

Sí. Es más seguro usar herramientas que no producen chispas, cerca de cualquier sustancia sumamente inflamable (ya sea un gas, vapor o líquido).

•

Las herramientas de hierro o acero pueden producir chispas cuando se usan. Las herramientas que no producen chispas son hechas de cobre, plástico, aluminio o madera. o Se usarán las herramientas que no producen chispas o o no se usarán las herramientas que no producen chispas

Equipo de protección que podría necesitar cuando trabaja con herramientas de mano Usted podría necesitar: •

Lentes de seguridad, gafas u otra forma de protección para los ojos.

•

Guantes de cedazo trenzado o malla de alambre y un delantal, si hay un riesgo de cortarse.

•

Zapatos con punta de acero, si hay una posibilidad de lesionarse los pies.

•

Botas, si está trabajando en un área mojada.

•

Protección para el oído (tapones u orejeras), si su trabajo crea mucho ruido.

•

Si tiene que usar cualquier equipo de protección personal, del cual hemos hablado, la compañía está obligada a proveerlo y enseñarle como usarlo.

Aplicaciones Como es de esperar, en las distintas aplicaciones se realizan distintas acciones que demandan niveles de confiabilidad que en metrología se identifican como “incertidumbre”, que no es sino el intervalo de confianza de los resultados de las mediciones. 190

Metrología Longitud A la medición de la longitud, determinación de distancia, se le utiliza en mediciones dimensionales tales como: áreas, volúmenes, capacidades, rapidez y velocidad, redondez. La longitud está incluso presente en la definición de las unidades llamadas no dimensionales (radián y estereorradián) para medir ángulos. En general podríamos decir que es de uso en toda determinación de la forma de un objeto. Muchos campos de la actividad humana requieren mediciones dimensionales: la geodesia, los catastros que determinan la propiedad y uso de la Tierra, la construcción y mantenimiento de caminos, carreteras, calles y avenidas, la construcción de vivienda, la industria manufacturera de todo tipo, las máquinas herramienta, los odómetros para determinar cobros de renta de vehículos, muchos aspectos comerciales. Quizás donde se ve con mayor impacto la importancia de buenas mediciones de longitud es en la industria manufacturera. Las industrias del vestuario, de muebles, automotriz, de accesorios, de aparatos electrodomésticos, de instrumentos científicos y médicos, de equipos electrónicos y muchos más, demandan piezas que se ensamblen adecuadamente unas con otras, así como mediciones exactas en los productos finales que se ponen a disposición de los consumidores. Masa La actividad de conocer cuantitativamente la masa está presente en todas las actividades humanas. Es por ello que el uso de patrones e instrumentos para determinar la masa es amplio y sin mostrar una ejemplificación extensa citamos los campos: industrial - administración (compras, bodegas, etc.), procesos (ejecución y control), ventas (pedidos y despachos); laboratorios (investigación y control); comercial (en todas las transacciones); científico (aun en el quehacer teórico). Las cantidades de masa a determinar van desde la del electrón hasta la del universo, pasando por la de los mosquitos, hamburguesas, seres humanos, vehículos, etc. Normalmente todo lo que se produce, vende o intercambia se relaciona directa o indirectamente con la masa, por lo tanto puede considerarse que la aplicación de la metrología en su aspecto masa, en sus distintos niveles, es omnipresente en el quehacer cotidiano. Temperatura La sensación de calor o frío es una de las más comunes en los seres vivientes y el concepto de temperatura y su medición está presente en innumerables actividades del ser humano. Puesto que nuestro primer contacto con la medición de temperatura de tipo científico suele ser el termómetro casero, vienen de inmediato a la mente las aplicaciones de tipo médico y en particular la determinación de la temperatura corporal de los enfermos con la importancia que puede tener para la evolución de ciertas dolencias. Pero también se requiere medir temperatura en forma adecuada para la fabricación de medicamentos, el uso de técnicas de diagnóstico, los análisis clínicos, la esterilización de material clínico y hospitalario. Los alimentos, tanto en su preparación como en las técnicas de su conservación, requieren mediciones de temperatura y, si éstas pueden ser empíricas a nivel casero, a nivel industrial se requiere exactitud en las mediciones. La tintorería, la fabricación de cerámica de todo tipo, la aplicación de esmaltes y pinturas en aparatos electrodomésticos y en vehículos, la generación de energía, el transporte refrigerado, el aire acondicionado y tantas más actividades humanas, requieren mediciones adecuadas de temperatura. 191

Metrología Tiempo ¡La medición del tiempo es útil no solamente para asegurar la puntualidad o para determinar el ganador de una prueba de atletismo! Además de las aplicaciones obvias del diario vivir (levantarse a determinada hora; autobuses, trenes y aviones cumpliendo en tiempo sus itinerarios, control de las horas de trabajo para cálculo de remuneración, control del tiempo en las telecomunicaciones, etc.), muchos procesos industriales, muchas técnicas médicas dependen de una medición exacta del tiempo. Otras aplicaciones usuales son por ejemplo los taxímetros (basados sólo en tiempo o combinación de tiempo y recorrido), los relojes registradores, los velocímetros. La sincronización de actividades tales como las operaciones bursátiles y las militares, los lanzamientos y acoplamientos de naves espaciales, etc. demanda la medida exacta del tiempo. En general podemos hablar de relojes y de cronómetros (tipo I con circuitos electrónicos digitales y tipo II de mecanismos análogos mecánicos o de motor sincrónico) y de otros medidores de intervalos de tiempo, como los empleados en el estacionamientos de vehículos, el lavado automático de vehículos, los parquímetros, o en el control de tiempo de aparatos electrodomésticos tales como máquinas lavadoras, máquinas secadoras, hornos de microondas. Electricidad y magnetismo En el siglo pasado se realizaron innumerables trabajos que abrieron la puerta del desarrollo moderno; se construyeron motores movidos por electricidad, con los cuales la industria, el transporte y toda actividad que requiere algún tipo de movimiento se vio favorecida. Con la manufactura de las bombillas incandescentes, la iluminación artificial cambió la forma de todas las actividades nocturnas. Enumerar las aplicaciones actuales de la electricidad adecuadamente suministrada y utilizada significaría listar todas las actividades del hombre, para las cuales es controlada (medida) y para ello es necesario disponer de aparatos o sistemas confiables y de exactitud conocida. En las comunicaciones el uso de la electricidad es fundamental tanto en telefonía, radio, televisión, como en operación de satélites. Pero, más que la existencia misma del recurso electricidad y magnetismo, es la confiabilidad del manejo o empleo de este recurso lo que la metrología garantiza con sus patrones y procedimientos. En el diseño es donde se afrontan los innumerables problemas de confiabilidad y por supuesto que el disponer de sistemas que aseguren el comportamiento adecuado de los equipos, dentro de ciertos límites, hace posible diseñar, planificar y realizar proyectos complejos Por otra parte, en toda la electrónica subyace el uso de medidas confiables (exactas para los profanos), confiabilidad y reproducibilidad debidas, en gran parte, a los avances en metrología. Fotometría y radiometría. El hombre ha desarrollado muchos aparatos y artefactos que le permiten contar con luz independientemente de las condiciones naturales y que, aún más, permiten intensidades que difícilmente se encuentran en la naturaleza. Todos estos aparatos demandan técnicas confiables de medición para garantizar que efectivamente se está logrando la intensidad o iluminación deseadas. Pero, además, las técnicas de análisis físico y químico a menudo exigen mediciones muy exactas de la magnitud de luz o de radiación. Los fotómetros de absorción, de ennegrecimiento, fotoeléctricos, espectrofotómetros y medidores de radiación, etc. dependen para su exactitud de calibraciones cuidadosas, basadas en los patrones aceptados. 192

Metrología En la actualidad se emplean técnicas de terapia fotodinámica para el tratamiento de ciertas enfermedades, aplicaciones industriales de la luz ultravioleta, el empleo de las propiedades germicidas de ciertas radiaciones, el uso de determinadas longitudes de onda en el crecimiento de plantas, etc. que, también, demandan mediciones confiables. Acústica y vibración. Las mediciones exactas en acústica son de importancia para aspectos tales como el diseño de auditorios y teatros, las telecomunicaciones, la radio, la fabricación de instrumentos musicales, la producción de aparatos de reproducción y transmisión de sonido (incluyendo fonógrafos, micrófonos y amplificadores), la eliminación de sonidos molestos o peligrosos (en oficinas, áreas de producción, transporte terrestre y aéreo), el diseño de artefactos de advertencia como las sirenas de ambulancias y bomberos y ciertos indicadores a nivel industrial, el sonar, las exploraciones petroleras, la fabricación y calibración de aparatos para sordera, las microondas, la sismografía, los ecocardiogramas, el ultrasonido en química, en medicina con fines de diagnóstico y de tratamiento, en aplicaciones industriales tales como soldadura. Radiación ionizante. Las aplicaciones médicas de la radiación ionizante son probablemente las más conocidas bajo la forma de los rayos X para diagnóstico y del uso de los isótopos radioactivos en radioterapia y como trazadores en investigación médica y bioquímica. Entre las aplicaciones industriales se pueden mencionar la activación de vitaminas, la síntesis (por ejemplo la de bromuro de etilo), la polimerización (poliestireno o polietileno), la vulcanización del hule, la polimerización de monómero de metil-metacrilato, los acabados textiles para lograr tejidos y prendas de planchado permanente, el procesamiento de alimentos (cocción, secado, pasteurización, etc.), la preservación y esterilización de alimentos, el control de la germinación y de las infestaciones por insectos en granos almacenados, el “curado” o endurecimiento de acabados tales como pinturas y tintas, la metalurgia, la geoquímica, la arqueología (C14), las mediciones de grosor, la generación de energía eléctrica. Química. En las actividades científicas y en las técnicas es importante conocer las bases para calcular qué y cuánto de una o varias substancias debe utilizarse. El caso obvio es el del laboratorio, clínico o industrial, pero también son importantes los procesos industriales de todo tipo, unos porque manejan volúmenes muy grandes y pequeñas variaciones pueden significar toneladas perdidas y otros porque utilizan cantidades muy pequeñas y variaciones ínfimas pueden ser cruciales. Es decir que el uso de patrones y materiales de referencia constituye la base del trabajo (el éxito de producción), y la garantía de la calidad. Por ejemplo, en la producción y comercialización de los medicamentos existe un campo muy importante para empleo de la metrología. Instalaciones, equipo e instrumentos Metrología Dimensional La temperatura es la variable de influencia más relevante en Metrología Dimensional. La temperatura de referencia normalizada es de 20 °C y en general, cualquier laboratorio de Metrología Dimensional deberá garantizar esta temperatura en ± 1 °C dentro del recinto del laboratorio y a lo largo del día. Para esto el laboratorio debe contar con instrumentación para monitorear la temperatura ambiente con una resolución de al menos 0,5 °C, al menos en la zona de trabajo, y para demostrarlo que guarde un registro de varias lecturas por día que permita elaborar gráficas. 193

Metrología En caso de que el laboratorio apague la climatización durante los fines de semana u otro periodo, deberá especificar en sus procedimientos el tiempo de estabilización necesario para poder comenzar a calibrar, el cual no podrá ser inferior a dos horas y en caso de utilizar instrumentos de grandes dimensiones o mayor exactitud, especificará tiempos mayores. En caso de calibración de patrones o instrumentos de alta exactitud, como bloques o anillos patrón, por ejemplo, es necesario un control de temperatura en la zona de calibración mejor que ± 0,5 °C; recomendándose además monitorear este control con un instrumento calibrado con resolución de 0,01 °C, de acuerdo al tipo de instrumento o patrón bajo calibración y de la incertidumbre que de dicho servicio se declare. Para los servicios en sitio, es necesario contar con un termómetro con resolución de 0,1 °C para registrar durante el proceso de calibración al menos la temperatura del patrón y del equipo bajo calibración. La humedad debe de mantenerse dentro de un intervalo de 45 a 65% de humedad relativa. Es recomendable que el laboratorio cuente con un instrumento para monitorear esta variable. Es importante que el sistema de climatización cuente con medios para filtrar el aire, ya que las partículas de polvo pueden poner en riesgo la exactitud de las mediciones y calibraciones. Se considera suficiente el uso de filtros que impidan el paso de partículas mayores a 5 μm. Metrología Eléctrica Instalaciones El laboratorio debe tener elementos objetivos para asegurar que el generador de referencia y el Medidor bajo calibración (MBC) se encuentran en las condiciones ambientales de operación requeridas para no poner en riesgo la trazabilidad de las mediciones (típicamente indicadas por su fabricante), para lo que deberá contar con instrumentos de medición calibrados para monitorear las condiciones ambientales de temperatura y de humedad relativa en las que se realiza el servicio de calibración. Si el laboratorio debe realizar servicios de calibración fuera de las condiciones ambientales en las que se conocen los valores en las diferentes magnitudes del generador de referencia, el laboratorio debe demostrar que cuenta con el soporte suficiente para determinar cuál es la incertidumbre de las mediciones, considerando los coeficientes de temperatura que indica el fabricante o considerando la evaluación que el laboratorio haya realizado del mismo. Equipos e instrumentos El laboratorio debe contar con:

194

•

Un generador de referencia, el que utilizará como patrón para dar los servicios de calibración indicados, con el método de medición indicado.

•

Un instrumento para realizar la verificación entre periodos de calibración de las magnitudes básicas de su generador de referencia. Este instrumento debe estar calibrado y debe ser capaz de detectar las desviaciones esperadas de acuerdo a los servicios que proporciona el laboratorio.

Metrología •

Cables del calibre y aislamiento adecuados para los diferentes niveles de resistencia eléctrica, intensidad de corriente y tensión en corriente continua o alterna en los que se realice el servicio de calibración.

•

Cables de cobre, para la calibración de indicadores de temperatura que operen con termopares, cuando el indicador y el generador utilicen unión de referencia interna.

•

Cables de termopar correspondientes al alcance (tipos de termopar) en que el laboratorio solicite acreditación, calibrados a temperatura ambiente, cuando el generador de referencia utilice una unión de referencia externa, por ejemplo un baño de hielo.

•

Agua desionizada o destilada o con la pureza suficiente para la realización de la unión de referencia externa a 0 ºC, cuando se utilice un baño de hielo.

Metrología Hidráulica y Neumática Equipos, instrumentos, instalaciones El laboratorio debe contar con un sistema para controlar la temperatura ambiente con una estabilidad de ±1 °C. La temperatura puede estar entre 18 °C y 28 °C. En el caso de utilizar balanzas de presión como patrón, el laboratorio debe monitorear y controlar la humedad relativa. La humedad relativa puede estar entre el 20% y el 80%. Los siguientes instrumentos son los necesarios para poder llevar acabo la calibración:  Instrumento patrón (columna de líquido, balanza de presión o manómetro de alta exactitud)  Fuente de generación de presión  Dispositivo para medir diferencias de alturas  Nivel  Barómetro  Termómetro  Higrómetro  Gas seco o inerte  Base rígida y adecuada para los instrumentos  Todos los instrumentos necesarios para incluir las correcciones en el patrón utilizado. Para las buenas prácticas de calibración de manómetros, transductores y/o transmisores de presión es requisito indispensable cumplir con lo siguiente: El patrón de trabajo debe: •

Tener el alcance de medición, y exactitud suficientes para calibrar el instrumento bajo prueba.

•

Estar vigente en su calibración y dentro del control “estadístico” (cartas de control), que mantenga el laboratorio para el patrón.

•

Utilizar el mismo fluido manómetrico que el instrumento bajo prueba que no dañe al elemento sensor. 195

Metrología •

Estar en óptimas condiciones de funcionamiento, cumpliendo con sus programas de mantenimiento preventivo como: fluido utilizado limpio y dentro de especificaciones, elemento sensor (pistón-cilindro, Bourdon, diafragma etc.) limpio evitando su contaminación, cables, conectores y empaques limpios y en buen estado de funcionamiento.

•

Aplicar las correcciones necesarias de acuerdo al patrón utilizado, sea una Balanza de Pesos Muertos o un Manómetro, utilizando el modelo matemático necesario de acuerdo al nivel de incertidumbre requerido y/o solicitado.

•

Asegurar la trazabilidad al patrón nacional de presión.

Las instalaciones deben: •

Registrar continuamente las condiciones ambientales (temperatura, humedad relativa y presión barométrica) del laboratorio.

•

Mantener una temperatura ambiente estable de acuerdo al nivel de incertidumbre requerido y/o solicitado en la medición.

•

Mantener una humedad adecuada (que no exceda el 80%) de acuerdo al nivel de incertidumbre requerido y/o solicitado en la medición.

•

Mantener las instalaciones limpias y ordenadas.

•

Evitar el introducir alimentos y/o bebidas al área de calibración.

•

Evitar el acceso a personas no autorizadas.

•

Supervisar el mantenimiento del área de calibración evitando cualquier daño a los patrones de trabajo y/o referencia.

El equipo auxiliar (termómetro, barómetro, higrómetro, medidor de alturas, etc.) debe: •

Estar vigente en su calibración dentro del control “estadístico” (cartas de control), que mantiene el laboratorio para el equipo auxiliar, cuando sea necesario.

•

Tener el alcance de medición y exactitud suficiente para calibrar el instrumento bajo prueba.

•

Estar en óptimas condiciones de funcionamiento, cumpliendo con sus programas de mantenimiento preventivo cables, conectores y empaques limpios y en buen estado de funcionamiento).

El método y/o procedimiento de medición debe:

196

•

Asegurar su trazabilidad al patrón nacional de presión.

•

Estar documentado con suficiente detalle de acuerdo a los patrones, condiciones ambientales con que cuenta el laboratorio y al nivel de incertidumbre solicitado.

•

Ser revisado periódicamente.

Metrología El instrumento bajo prueba debe: •

Estar en condiciones de funcionamiento, limpio y no contaminado.

•

Leer el manual del fabricante antes de su calibración, para revisar su funcionamiento, especificaciones y el fluido manométrico que puede utilizar para no dañarlo.

•

Cumplir con la relación de exactitudes para su calibración.

•

Evitar el no aplicar sobre presiones de acuerdo a su alcance de medición.

Metrología Térmica Equipos e instrumentos Los elementos del sistema de medición del laboratorio donde se efectúen las calibraciones deben cumplir con los requisitos de la sección 5.5 de la norma NMX-EC-17025-2000. El sistema de medición mínimo requerido para la realización de calibraciones de termómetros, debe incluir:  Un termómetro patrón de referencia (o de trabajo) calibrado. Por lo general se usan termómetros de resistencia de platino con tallos de unos 30 cm (o más) o termómetros de liquido en vidrio construidos bajo las especificaciones de la norma ASTM-E1-03a o equivalente.  Un baño líquido de temperatura controlada, caracterizado, que permita la inmersión de los termómetros hasta su línea de inmersión (de termómetros de inmersión parcial) o que permita la inmersión del bulbo y la cámara de contracción de termómetros de inmersión total, como inmersión mínima;  Equipo para la preparación de la referencia a 0°C, con evidencias de su caracterización.  Termómetros auxiliares calibrados para la medición de la temperatura la columna emergente, de líquido en vidrio cuyos bulbos cubran la longitud de esa columna con un número mínimo de ellos.  Lupa o microscopio para la inspección del termómetro a ser calibrado, que permita observar la construcción del capilar, detectar rebabas de vidrio, gotas del líquido termométrico sobre su pared, burbujas en el líquido termométrico, fallas en la impresión de la escala, etc.;  Accesorios para el montaje de los termómetros en el baño. Un termómetro de resistencia de platino está constituido por un elemento sensor y un elemento lector. 2. La calibración de un termómetro de resistencia de platino es adecuada si el elemento sensor y el elemento lector fueron calibrados simultáneamente como una sola unidad. La calibración del elemento sensor no es suficiente para que el termómetro de resistencia de platino esté calibrado. La calibración del elemento lector (por simulación eléctrica) no es suficiente para que el termómetro de resistencia de platino esté calibrado. 3. Si el elemento lector y el sensor fueron calibrados por separado, entonces se debe presentar evidencia de que: 197

Metrología • • •

las características eléctricas de ambos son compatibles, funcionan adecuadamente y las correcciones correspondientes son aplicadas.

4. Los intervalos de calibración de los patrones de referencia o de trabajo y de los estudios de caracterización del (los) baño(s) deben cubrir totalmente los alcances de los servicios de calibración acreditados por el laboratorio. Instalaciones Los valores límites de las condiciones ambientales de las instalaciones donde se efectúan las calibraciones (temperatura, humedad, presión atmosférica o vibraciones), no deben rebasar los requeridos por los instrumentos electrónicos asociados a las mediciones dados en sus especificaciones y deben cumplir con los requisitos de la sección 5.3 de la norma NMX-EC-17025-2000. En general, se recomienda que el termómetro patrón sea verificado en un baño a 0 °C o equivalente, antes y después de ser usado en las calibraciones. También, se recomienda que el laboratorio cuente con montajes diseñados para minimizar el error de paralaje. Metrología Mecánica Equipos, instrumentos, instalaciones •

Sistemas de transferencia de par torsional con instrumento patrón secundario y método primario para generación de par torsional con brazo de palanca y masas.

•

Nivel para verificación de posición de ejes (la exactitud y trazabilidad del nivel dependerá de las condiciones de uso);

•

Vernier/flexómetro para medición posición de desplazamiento de ejes (la incertidumbre y trazabilidad del nivel dependerán de las condiciones de uso);

•

Termómetro adecuado para monitorear las condiciones generales del laboratorio.

Bloques patrón Los bloques patrón representan estándares industriales de dimensión. Son bloque pequeños de acero de cerca de 3 × 1 3 de pulgada, con superficies paralelas perfectamente pulidas. Los 4 8 espesores de los bloques se especifican de acuerdo con las siguientes tolerancias: Grado del bloque AA A B

Tolerancia, 2 4 8

min

†

Las tolerancias son para bloques con menos de 1 in de espesor; para espesores mayores las mismas tolerancias son por pulgada.

†

198

Metrología La gama de espesores de los bloques patrón permite agruparlos en tal forma que con un juego de 81 bloques puede obtenerse cualquier dimensión entre 0,100 y 8,000 con incrementos de 0,0001 de pulgada. Los bloques se colocan en forma de columna mediante un proceso de presión con torsión. Con las superficies perfectamente limpias, las superficies de metal se unen deslizando una sobre otra mientras se ejerce una presión sostenida. Las superficies son lo bastante planas, de modo que cuando el proceso de presión con torsión se ejerce en forma correcta, se adhieren como resultado de la atracción molecular. La fuerza de la adhesión puede ser hasta de 30 veces la presión atmosférica. Debido a su alta exactitud, los bloques patrón se usan con frecuencia para calibrar otros dispositivos de medición dimensional. En mediciones muy exactas, pueden usarse para pruebas de comparación dimensional directa con una pieza maquinada.

199

Metrología Resumen En esta unidad hemos hecho una clasificación de los distintos tipos de mantenimiento que se deben implantar en el centro de trabajo, haciendo énfasis en que es más importante tener una política que privilegie el mantenimiento preventivo y el mantenimiento predictivo, con el propósito de minimizar el mantenimiento correctivo. Adicionalmente se hizo una revisión de los aspectos más importantes de los distintos tipos de mantenimiento, señalando sus ventajas y desventajas, dejando clara la necesidad de elaborar procedimientos y políticas que aseguren el buen funcionamiento de los equipos, maquinaria e instrumentos de medición, y que adicionalmente garanticen la seguridad del personal. Se revisaron los objetivos y los principios de las técnicas de calibración de los instrumentos de medición. Se hizo énfasis en las buenas prácticas de laboratorio.

Evaluación 1.- Escribe los tipos de mantenimiento. 2.- Describe la clasificación de las fallas. 3.- Menciona los objetivos del mantenimiento. 4.- Escribe la definición de calibración. 5.- Escribe la definición de verificación. 6.- Menciona las ventajas de contar con un sistema de calibración/verificación. 7.- Menciona los aspectos que influyen en la calidad de la superficie de los productos maquinados. 8.- Define el concepto de Tolerancia Dimensional. 9.- Define el concepto de Método de Medición. 10.- Describe el Método de Medición para manómetros.

200

Glosario de Términos de E-CBNC

Campo de aplicación

Parte constitutiva de una Norma Técnica de Competencia Laboral que describe el conjunto de circunstancias laborales posibles en las que una persona debe ser capaz de demostrar dominio sobre el elemento de competencia. Es decir, el campo de aplicación describe el ambiente laboral donde el individuo aplica el elemento de competencia y ofrece indicadores para juzgar que las demostraciones del desempeño son suficientes para validarlo.

Competencia laboral

Aptitud de un individuo para desempeñar una misma función productiva en diferentes contextos y con base en los requerimientos de calidad esperados por el sector productivo. Esta aptitud se logra con la adquisición y desarrollo de conocimientos, habilidades y capacidades que son expresados en el saber, el hacer y el saber-hacer.

Criterio de desempeño

Parte constitutiva de una Norma Técnica de Competencia Laboral que se refiere al conjunto de atributos que deberán presentar tanto los resultados obtenidos, como el desempeño mismo de un elemento de competencia; es decir, el cómo y el qué se espera del desempeño. Los criterios de desempeño se asocian a los elementos de competencia. Son una descripción de los requisitos de calidad para el resultado obtenido en el desempeño laboral; permiten establecer si se alcanza o no el resultado descrito en el elemento de competencia.

Elemento de competencia

Es la descripción de la realización que debe ser lograda por una persona en al ámbito de su ocupación. Se refiere a una acción, un comportamiento o un resultado que se debe demostrar por lo tanto es una función realizada por un individuo. La desagregación de funciones realizada a lo largo del proceso de análisis funcional usualmente no sobrepasa de cuatro a cinco niveles. Estas diferentes funciones, cuando ya pueden ser ejecutadas por personas y describen acciones que se pueden lograr y resumir, reciben el nombre de elementos de competencia.

Evidencia de conocimiento

Parte constitutiva de una Norma Técnica de Competencia Laboral que hace referencia al conocimiento y comprensión necesarios para lograr el desempeño competente. Puede referirse a los conocimientos teóricos y de principios de base científica que el alumno y el trabajador deben dominar, así como a sus habilidades cognitivas en relación con el elemento de competencia al que pertenecen.

Evidencia por producto

Hacen referencia a los objetos que pueden usarse como prueba de que la persona realizó lo establecido en la Norma Técnica de Competencia Laboral. Las evidencias por producto son pruebas reales, observables y tangibles de las consecuencias del desempeño.

Evidencia de actitud

Las Normas Técnicas de Competencia Laboral incluyen también la referencia a las actitudes subyacentes en el desempeño evaluado.

Análisis de Estructuras Metalúrgicas

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Evidencia por desempeño

Parte constitutiva de una Norma Técnica de Competencia Laboral, que hace referencia a una serie de resultados y/o productos, requeridos por el criterio de desempeño y delimitados por el campo de aplicación, que permite probar y evaluar la competencia del trabajador. Cabe hacer notar que en este apartado se incluirán las manifestaciones que correspondan a las denominadas habilidades sociales del trabajador. Son descripciones sobre variables o condiciones cuyo estado permite inferir que el desempeño fue efectivamente logrado. Las evidencias directas tienen que ver con la técnica utilizada en el ejercicio de una competencia y se verifican mediante la observación. La evidencia por desempeño se refiere a las situaciones que pueden usarse como pruebas de que el individuo cumple con los requerimientos de la Norma Técnicas de Competencia Laboral.

Formación ocupacional

Proceso por medio del cual se construye un desarrollo individual referido a un grupo común de competencias para el desempeño relevante de diversas ocupaciones en el medio laboral.

Módulo ocupacional

Norma Técnica de Competencia Laboral

Unidad autónoma integrada por unidades de aprendizaje con la finalidad de combinar diversos propósitos y experiencias de aprendizaje en una secuencia integral de manera que cada una de ellas se complementa hasta lograr el dominio y desarrollo de una función productiva. Documento en el que se registran las especificaciones con base en las cuales se espera sea desempeñada una función productiva. Cada Norma Técnica de Competencia Laboral esta constituida por unidades y elementos de competencia, criterios de desempeño, campo de aplicación y evidencias de desempeño y conocimiento.

Glosario De Términos De E-CBCC Competencias contextualizadas

Competencias Laborales

Metodología que refuerza el aprendizaje, lo integra y lo hace significativo.

Se definen como la aptitud del individuo para desempeñar una misma función productiva en diferentes contextos y con base en los requerimientos de calidad esperados por el sector productivo. Esta aptitud se logra con la adquisición y desarrollo de conocimientos, habilidades y capacidades que son expresadas en el saber, el saber hacer, el saber ser y el saber estar.

Competencias básicas

Son las que identifican el saber y el saber hacer en los contextos científico teórico, tecnológico, analítico y lógico.

Competencias Analíticas

Estas hacen referencia a los procesos cognitivos internos necesarios para simbolizar, representar ideas, imágenes, conceptos u otras abstracciones. Dotan al alumno de habilidades para inferir, predecir e interpretar resultados.

Análisis de Estructuras Metalúrgicas

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Competencias Científico – Teóricas

Son las que le confieren a los alumnos habilidades para la conceptualización de principios, leyes y teorías, para la comprensión y aplicación a procesos productivos; y propician la transferencia del conocimiento.

Competencias Lógicas

Se refieren a las habilidades de razonamiento que le permiten analizar la validez de teorías, principios y argumentos, así mismo, le facilitan la comunicación oral y escrita. Estas habilidades del pensamiento le permiten pasar del sentido común a la lógica propia de las ciencias. En estas competencias se encuentra también el manejo de los idiomas.

Competencias Tecnológicas

Hacen referencia a las habilidades, destrezas y conocimientos para la comprensión de las tecnologías en un sentido amplio, que permite desarrollar la capacidad de adaptación en un mundo de continuos cambios tecnológicos.

Competencias clave

Son las que identifican el saber, el saber hacer, el saber ser y el saber hacer; en los contextos de información, ambiental, de calidad, emprendedor y para la vida.

Competencias Ambientales

Se refieren a la aplicación de conceptos, principios y procedimientos relacionados con el medio ambiente, para el desarrollo autosustentable.

Competencias de Calidad

Se refieren a la aplicación de conceptos y herramientas de las teorías de calidad total y de aseguramiento de la calidad, y su relación con el ser humano.

Competencias Emprendedoras

Son aquellas que se asocian al desarrollo de la creatividad, fomento del autoempleo y fortalecimiento de la capacidad de autogestoría.

Competencias de información

Se refieren a las habilidades para la búsqueda y utilización de diversas fuentes de información, y capacidad de uso de la informática y las telecomunicaciones.

Competencias para la vida

Competencias referidas al desarrollo de habilidades y actitudes sustentadas en los valores éticos y sociales. Permiten fomentar la responsabilidad individual, la colaboración, el pensamiento crítico y propositivo y la convivencia armónica en sociedad.

Contextualización

Puede ser entendida como la forma en que, al darse el proceso de aprendizaje, el sujeto establece una relación activa del conocimiento y sus habilidades sobre el objeto desde un contexto científico, tecnológico, social, cultural e histórico que le permite hacer significativo su aprendizaje, es decir, el sujeto aprende durante la interacción social, haciendo del conocimiento un acto individual y social. Esta contextualización de las competencias le permite al educando establecer una relación entre lo que aprende y su realidad, reconstruyéndola.

Análisis de Estructuras Metalúrgicas

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Matriz de competencias

Describe las competencias laborales, básicas y claves que se contextualizan como parte de la metodología que refuerza el aprendizaje, lo integra y lo hace significativo.

Matriz de contextualización

Presenta de manera concentrada, las estrategias sugeridas a realizar a lo largo del módulo para la contextualización de las competencias básicas y claves con lo cual, al desarrollarse el proceso de aprendizaje, se promueve que el sujeto establezca una relación activa del conocimiento sobre el objeto desde situaciones científicas, tecnológicas, laborales, culturales, políticas, sociales y económicas.

Módulo autocontenido

Es una estructura integral multidisciplinaria y autosuficiente de actividades de enseñanza-aprendizaje, que permite alcanzar objetivos educacionales a través de la interacción del alumno con el objeto de conocimiento.

Módulos autocontenidos Están diseñados para atender la formación vocacional genérica en un área disciplitransversales naria que agrupa varias carreras.

Módulos autocontenidos Están diseñados para atender la formación vocacional y disciplinaria en una carrera específicos específica. Están diseñados con la finalidad de atender las necesidades regionales de la formaMódulos autocontenidos ción vocacional. A través de ellos también es posible que el alumno tenga la posibioptativos lidad de cursar un módulo de otra especialidad que le sea compatible y acreditarlo como un módulo optativo.

Módulos integradores

Conforman una estructura ecléctica que proporciona los conocimientos disciplinarios científicos, humanísticos y sociales orientados a alcanzar las competencias de formación genérica. Apoyan el proceso de integración de la formación vocacional u ocupacional, proporcionando a los alumnos los conocimientos científicos, humanísticos y sociales de carácter básico y propedéutico, que los formen para la vida en el nivel de educación media superior, y los preparen para tener la opción de cursar estudios en el nivel de educación superior. Con ello, se avala la formación de bachiller, de naturaleza especializada y relacionada con su formación profesional.

Unidades de aprendizaje

Especifican los contenidos a enseñar, proponen estrategias tanto para la enseñanza como para el aprendizaje y la contextualización, así como los recursos necesarios para apoyar el proceso de enseñanza-aprendizaje y finalmente el tiempo requerido para su desarrollo.

Análisis de Estructuras Metalúrgicas

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Glosario de Términos Técnicos Aleación

Materia compuesta de dos o más elementos de los cuales por lo menos uno es un metal elemental.

Alotropía

Es un fenómeno reversible en el que ciertos metales pueden existir en más de una estructura cristalina.

Análisis térmico

Es el método para determinar las transformaciones de un metal, empleándolo para determinar las temperaturas críticas requeridas para construir un diagrama de equilibrio.

Ataque químico

Es el provocado en la superficie de un metal por medio de un agente químico para revelar los detalles estructurales.

Bronce

Aleación de cobre y estaño donde el cobre se encuentra en mayor proporción.

Carburo

Combinación de carbono con uno o más elementos metálicos.

Cátodo

Uno de los polos de la electrólisis donde los electrones entran en un sistema de operación como en una batería o un tubo de rayos X.

Cianuración

Proceso mediante el cual se introduce carbono y nitrógeno en una aleación manteniéndola arriba de la línea de transformación.

Cohesión

Fuerza de atracción entre los átomos o moléculas.

Compuesto intermetálico

Fase intermedia de una aleación, donde el enlace atómico puede variar desde metálico hasta iónico.

Conductividad eléctrica

La capacidad de conducir electricidad con frecuencia se relaciona a la conductividad térmica. En general los metales son buenos conductores tanto del calor como de la electricidad. Muchos plásticos son buenos aisladores (conductores pobres), tanto para el calor como para la electricidad. La conductividad se mide y tabula en forma negativa, esto es, se mide la resistencia del material. Por tanto, un material que tiene baja resistencia es un buen conductor y uno que tiene alta resistencia es un buen aislador.

Conductividad térmica

La cantidad de calor que pasa de una parte de un cuerpo sólido a otro está gobernado por el área de la sección transversal del cuerpo, la longitud, la diferencia de temperatura en la dirección del flujo de calor y una propiedad física llamada conductividad térmica. Esta propiedad es importante tanto para el diseño como para la manufactura. Aquellos con alta conductividad pueden ser útiles para intercambiadores de calor. Los de baja conductividad se llaman con frecuencia aisladores y pueden ser materiales importantes para la construcción.

Análisis de Estructuras Metalúrgicas

117

Cristal

Compuesto de átomos en estado sólido arreglados en tres dimensiones.

Cristalinas

Es la distribución de los átomos en una molécula y de estas en los cristales con posiciones relativamente fijas, con los átomos oscilando alrededor de puntos fijos, en equilibrio dinámico dando una simetría al cristal que es una estructura rígida formada de numerosos átomos que se unen a lo largo de hileras hasta formar una capa superficial y lisa, otros átomos forman la siguiente capa sobrepuesta a la primera y así sucesivamente durante la cristalización.

Cristalización

Transformación desde la fase líquida el enfriarse a la fase sólida cristalina.

Corrosión

En general, la corrosión de los metales se define como el deterioro del material causado por la acción química de algún medio que lo rodea o está en contacto, usualmente en forma líquida o gaseosa. El fenómeno puede ocurrir muy rápidamente bajo algunas condiciones con algunos metales y muy lentamente en otras situaciones.

Corte

Fuerza que aplicada sobre un cuerpo que causa el deslizamiento de la otra parte en dirección paralela a su plano de contacto.

Costo

El costo del material no es una propiedad funcional como son la resistencia, la densidad y las otras que se han expuesto, pero es una cualidad variable extremadamente importante ya que con frecuencia es el factor de influencia principal en la elección de materiales. Para poder usarse un material debe tener una forma específica, en el lugar adecuado y al tiempo correcto.

Defecto

Calificación que se da a un objeto dañado.

Deformación

Desviación o cambio de la forma original.

Dendrita

Cristal con un crecimiento de forma arborescente.

Deslizamiento

Desplazamiento irreversible cortante de una parte M cristal con relación a otra.

Diagrama de fase

Gráfica que muestra la relación entre los constituyentes de una aleación.

Difusión

Movimiento espontáneo de moléculas o átomos en una red cristalina.

Dislocación

Defecto lineal observado en la estructura de un cristal.

Disco con parafina

Un disco con parafina es sencillamente un disco de pulidora cubierto con una capa de parafina de alto punto de fusión o con un paño de billar o lona que se han impregnado con parafina.

Dureza

Resistencia de un material ha ser rayado o penetrado.

Elasticidad

Característica de un material a deformarse por una fuerza externa y recuperar su forma original.

Análisis de Estructuras Metalúrgicas

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Electrolito

Solución comúnmente líquida que conduce una corriente eléctrica.

Endurecimiento

Incremento de la dureza por medio de un tratamiento adecuado.

Enlace químico

Un enlace químico es la unión entre dos átomos para formar una entidad de orden superior, como una molécula o una estructura cristalina.

Equilibrio

Balance en la composición, temperatura y presión de una fase en un sistema de aleación.

Estructura columnar

Apariencia gruesa en la estructura de los granos.

Estructura de la red

Término para designar las fronteras de grano de un constituyente.

Fase

Porción físicamente distinta y homogénea en una aleación.

Fibra

Forma de orientación de los cristales de un metal generalmente por estiramiento.

Fisura

Falla causada por la corrosión y esfuerzo externo.

Formabilidad

Deformación plástica con la que un metal puede conformarse nuevamente.

Fusión congruente

Fusión isotérmica durante la cual la fase líquida y sólida tienen la misma composición durante la transformación.

Grano

Cristal individual de un metal.

Homogéneo

Con las mismas características de fase.

índices de Miller

Serie de planos en una estructura cristalina.

Intercristalino

Entre los granos o cristales de un metal.

lón

Átomo con una carga eléctrica.

Macroestructura

Superficie atacada químicamente que se observa en una amplificación que no exceda diez diámetros.

Matriz

Fase principal en la que se agrega otro constituyente.

Metal

Material opaco y lustroso, buen conductor de la electricidad y el calor maleable, dúctil y pulido refleja la luz.

Metalografía

La metalografía es, esencialmente, el estudio de las características estructurales o de constitución de un metal o una aleación para relacionar ésta con las propiedades físicas y mecánicas.

Análisis de Estructuras Metalúrgicas

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Nitruración

Contacto con un compuesto nitrogenado manteniéndola a una temperatura adecuada.

Normalización

Calentamiento a una temperatura adecuada arriba M intervalo de transformación y enfriada al aire.

Plasticidad

Deformación de un metal no elásticamente pero sin ruptura.

Precalentamiento

Calentamiento previo a un tratamiento mecánico o térmico.

Propiedades físicas

Las propiedades físicas están asociadas con la estructura atómica. Estas propiedades incluyen densidad (peso por unidad de volumen), tipo cristalino, espaciamiento atómico, calor específico, resistencia teórica y punto de fusión. Las diferencias en las propiedades físicas de diferentes materiales pueden ser importantes por varias razones.

Propiedades químicas

Las propiedades químicas (reacción con otros materiales) son de interés para todos los materiales porque afectan la capacidad para combinarse o alearse con materiales diferentes; afectan la refinación de los materiales, sobre todo el cambio de un mineral a un metal más puro, y afectan la capacidad del material para resistir la descomposición bajo diversas condiciones ambientales.

Punto crítico

Cambio de una estructura o fase a temperatura y presión establecido.

Pulido electrolítico

El pulido electrolítico disminuye muchas de las dificultades encontradas en el pulido mecánico. Puesto que éste método de pulido evita la formación de capas distorsionadas del metal en la superficie desbastada de la probeta, es ideal para la preparación de muchos metales blandos, aleaciones monofásicas y aleaciones que endurecen fácilmente por deformación, tales como los aceros inoxidables austeníticos.

Rayos X

Radiación producida por un haz de electrones que choca con un material en una longitud de onda menor a 500 angstrom.

Recocido

Tratamiento térmico para suavizar una estructura trabajada en frío.

Recristalización

Formación de una estructura nueva al llegar por calentamiento a una temperatura crítica.

Revenido

Tratamiento térmico para disminuir la dureza y aumentar la tenacidad.

Sobrecalentamiento

Calentamiento de un metal a alta temperatura dañando sus propiedades.

Soluble

Componente menor disuelto en un solvente.

Solución sólida

Fase sólida y homogénea que contiene dos o más elementos.

Análisis de Estructuras Metalúrgicas

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Temperatura de transforTemperatura en que ocurre un cambio de fase. mación Tenacidad

Capacidad en un metal para absorber energía y deformarse plásticamente antes de que ocurra la fractura.

Tratamiento térmico

Proceso de calentamiento y enfriamiento aplicado a un metal.

Uso

El uso que se les da a las muestras o probetas es solamente para realizarles análisis con el fin de conocer e identificar las propiedades de estos materiales.

Vacancia

Imperfección

Análisis de Estructuras Metalúrgicas

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Kuzmín, B.A., A. I. Samojotski, Metalurgia, Metalografía y Materiales de Construcción, Editorial MIR Rusia 1984.

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