Metrología y calibración © Ediciones Roble, S.L. · 2020. 10. 19. · II. Objetivos Conocer el...

Metrología y calibración© Ediciones Roble, S.L.

IndiceMETROLOGÍA Y CALIBRACIÓN 3

I. Introducción 3

II. Objetivos 4

III. Metrología 4

3.1. Errores e incertidumbre en la medida 6

3.1.1. Errores 6

Clases de errores 7

Causas de error 7

Cálculo de errores 9

3.1.2. Incertidumbre de la medida 10

3.2. Cualidades de un instrumento de medida 11

IV. Calidad y control de calidad 13

V. Calibración de instrumentos 15

5.1. Planes de calibración 17

VI. Resumen 22

Ejercicios 23

Caso práctico 23

Solución 23

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METROLOGÍA Y CALIBRACIÓN

I. Introducción

La metrología se convierte en una ciencia desde el primer momento en que es de aplicación universal entodas las disciplinas de base científica, ya que permite conocer, cuantitativamente, las propiedades físicasy químicas de todos los elementos. En España se dispone de un Centro de Metrología, organismoautónomo adscrito a la Secretaría General de Industria y de la Pequeña y Mediana Empresa del Ministeriode Industria, Comercio y Turismo. Según lo planteado por el propio organismo en su página web (www.cem.es), entre sus funciones están:

Custodiar, conservar y diseminar los patrones nacionales de las unidades de medida conforme alSistema Internacional de Unidades (SI).

Dar trazabilidad a la red de laboratorios de calibración y ensayo e industria.

Ejecutar proyectos de investigación y desarrollo en el ámbito metrológico.

Gestionar el Registro de Control Metrológico.

Dar formación a especialistas en metrología.

Representar a España ante las organizaciones metrológicas internacionales.

El Sistema Metrológico Español (SME) se conforma, por tanto, por el Centro Español de Metrología(CEM) y los laboratorios designados por este como sus asociados (ROA, IFA-CSIC, INTA, CIEMAT,LCOE, ISCIII). Todos ellos conforman el conjunto de Metrológica Nacional, donde se establecen ymantienen los patrones primarios de las unidades de medida correspondientes al Sistema Internacional deUnidades (Sistema SI), declarado de uso legal en España por Ley 3/1985, de 18 de marzo, de Metrología.

Como reseña el CEM, se puede decir que el propio progreso de la metrología ha sido vital para elavance de la ciencia, ya que, como dijo Dmitri Mendeleyev (químico ruso creador de la tabla periódica delos elementos): "la ciencia comienza donde empieza la medición, no siendo posible la ciencia exacta enausencia de mediciones".

Con respecto a la calibración, el CEM la define como la operación u operaciones en las que seestablecen los errores de medida o correcciones a aplicar a un instrumento de medida, con suscorrespondientes incertidumbres, mediante la comparación de las lecturas del instrumento con patrones demedida adecuados.

Calibración

La calibración, según la 3º edición del Vocabulario Internacional de Metrología (VIM), “es aquellaoperación que bajo condiciones especificadas establece, en una primera etapa, una relación entre losvalores y sus incertidumbres de medida asociadas, obtenidas a partir de los patrones de medida, y lascorrespondientes indicaciones con sus incertidumbres asociadas y, en una segunda etapa, utiliza estainformación para establecer una relación que permita obtener un resultado de medida a partir de unaindicación”.

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Metrología y calibración

II. Objetivos

Conocer el significado de la metrología y la calibración como ciencia.

Reconocer e interpretar errores e incertidumbre en las medidas.

Identificar las cualidades de un instrumento de medida.

Conocer las técnicas de medición y verificación que entran en lo que se denomina control decalidad.

Analizar la aplicación de un plan de calibración.

III. Metrología

Se define metrología, según el profesor D. Carlos Granados, como: "la ciencia que tiene por objeto elestudio de las propiedades medibles, las escalas de medida, los sistemas de unidades, los métodos ytécnicas de medición, así como la evolución de lo anterior, la valoración de la calidad de las mediciones ysu mejora constante, facilitando el progreso científico, el desarrollo tecnológico, el bienestar social y lacalidad de vida".

Se puede dividir esta ciencia en tres áreas, teniendo en cuenta los diferentes niveles de complejidad yexactitud de cada una:

1

La Metrología Científica, que se ocupa de la organización y el desarrollo de los patrones de medida yde su mantenimiento, siendo este el nivel más complejo de estas disciplinas.

2

La Metrología Industrial, que asegura el adecuado funcionamiento de los instrumentos de medidaempleados en la industria y en los procesos de producción y verificación.

3

La Metrología Legal, que se ocupa de las mediciones que influyen sobre la transparencia de lastransacciones comerciales, la salud y la seguridad de los ciudadanos.

Otra acepción

Otra acepción de la metrología, mucho más simple y sencilla, es que esta es la ciencia que estudia lossistemas de pesas y medidas. Trata del estudio y aplicación de todos los medios propios para la medidade las magnitudes, tales como longitudes, ángulos, masa, tiempo, temperaturas, intensidades decorriente eléctrica, etc. De ahí, que la Metrología intervenga en todos los dominios de la técnica.

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El gran desarrollo industrial producido en estos últimos tiempos ha sido motivado por la necesidad defabricar gran cantidad de productos con una precisión y calidad aceptables.

Para ello, se abandonaron los sistemas de fabricación artesanales, en los que una sola persona, o muypocas, realizaban el producto completo, dando paso a los sistemas de fabricación en serie, en los que cadapersona o sistema realiza una gran cantidad de unidades de un mismo producto, e incluso, en muchasocasiones, tan solo algunas de las operaciones necesarias para la obtención de dicho producto.

Estas formas de producción, impuestas por factores económicos y de calidad, han creado la necesidadde la intercambiabilidad, para que el montaje de un mecanismo complejo pueda realizarse a partir decualquier conjunto de componentes, y que, posteriormente, pueda sustituirse, una o varias de ellas, sin queel funcionamiento del conjunto se resienta.

La consecución de estos objetivos ha obligado a aumentar, fuertemente, el control de calidad en lafabricación, pese al coste económico que ello supone. Este control de calidad tiene diferentes aspectos,como son la necesidad de normalización para homogeneizar criterios de diseño, el empleo de toleranciaspara conseguir los correspondientes ajustes, la verificación sistemática de los diferentes medios demecanizado, etc. Además de conseguir intercambiabilidad, el desarrollo tecnológico ha conducido aobtener precisiones cada vez más estrechas.

Se puede establecer, por tanto, el desarrollo de la Metrología Industrial, en los siguientes pasos:

1. Fabricación artesanal de productos.

2. Introducción de la intercambiabilidad (fabricación en serie).

3. Exigencia de obtener una elevada precisión (metrología avanzada).

En consecuencia, la medición ha alcanzado el carácter de ciencia.

Unidad de medida

En cuanto a la unidad de medida, esta es la magnitud física cuyo valor numérico se admite,convencionalmente, como uno (1). Con ello se miden todas las magnitudes de una misma clase,mediante una operación que consiste en comparar la extensión concreta de una magnitud con su unidad,para ver cuántas veces contiene la una a la otra.

El auténtico valor de una medida es siempre desconocido. Al medir, solo se puede aspirar a conocerlocon una cierta aproximación o incertidumbre. Esta incertidumbre, a su vez, se calcula, comparando con unpatrón o elemento de nivel superior, cuyo valor se considera, convencionalmente, verdadero.

Para medir correctamente deben cumplirse los siguientes requisitos:

Usar las mismas definiciones de las unidades de medida en todo el mundo.

Disponer de patrones cuyo valor no difiera del verdadero (siempre desconocido), en más de unacantidad prefijada.

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Para cumplir el primer requisito existe, a nivel internacional, la Conferencia General de Pesos y Medidas,y sus organismos. Para resolver el segundo problema, se ha recurrido a los patrones. Los patrones sonobjetos que materializan una unidad o una magnitud determinada, con el mayor grado de precisión posibley con la máxima inalterabilidad.

Pueden distinguirse distintos tipos de patrones:

Patrón prototipo internacional.

Patrones primarios.

Patrones secundarios.

Patrones de campo o taller.

Hay patrones primarios para masa, longitud, tiempo, corriente, temperatura e intensidad luminosa. Por suparte, el término patrón secundario se utiliza para las unidades que se derivan de las primarias. Así, seestablece una relación entre patrones de unidades: el Centro Nacional de Patrones tiene patrones nacionalesde trabajo para cada sector, en lugar de utilizar directamente los patrones primarios básicos; loslaboratorios de calibración tienen patrones de referencia que han sido calibrados según los patronesnacionales de trabajo; las empresas tienen equipos que han sido calibrados por estos laboratorios; y, a suvez, las empresas pueden utilizar dichos equipos para la calibración de la instrumentación de uso diario ensus procesos de producción.

3.1. Errores e incertidumbre en la medida

3.1.1. Errores

Medir, es comparar; la medición es el proceso físico en el que tiene lugar una interacción entre el objetoque se mide y el instrumento utilizado para ello. El resultado, es la medida que ha de ser recogida einterpretada por los observadores. Por lo tanto, el conjunto estará sometido a dos tipos de influencias: lasindividuales (debidas al observador), y la instrumentales, debidas al aparato de medida y a los métodos demedición utilizados. Estas influencias son la causa de que nunca se conozca una magnitud con absolutacerteza, pues, la imperfección de los sentidos y de los aparatos usados dan lugar a la incertidumbre en elvalor obtenido y, en consecuencia, al error, que es la diferencia entre la medida real y la nominal, y a sumedida, que es el intervalo de error.

El patrón de medidas representa la medida ideal, y se le considera la medida exacta. La medidadimensional obtenida en una pieza es la real o efectiva, es decir, la medida que tiene, en contraste, con lanominal, o que debiera tener, materializada en el patrón.

El error se calcula por la siguiente ecuación:

El error puede ser positivo o negativo. En el primer caso, la pieza sería mayor que el patrón, mientrasque, en el segundo, la pieza sería menor que el patrón.

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Es frecuente dar las medidas o el sistema de medición acompañadas de la corrección, que es el valoropuesto al error. De aquí se deduce que al valor nominal se le considera siempre libre de error, es decir,exacto. De esta forma puede establecerse la relación práctica:

Clases de errores

Los errores cometidos en una medición, según su naturaleza u origen, pueden ser:

Errores sistemáticos

Los errores sistemáticos son los que se producen de igual modo en todas las medidas. Las causas delos mismos pueden derivarse de defectos de los instrumentos, o de una tendencia determinada delobservador en la obtención de la medición. Estos errores tienen una magnitud y un signo determinadosque, una vez conocidos, pueden tenerse en cuenta para corregir las lecturas. Se les considera por ellocomo errores controlables. Para descubrirlos, no basta con repetir la medida; debe cambiarse deinstrumento, de observador o de procedimiento. Ejemplos: el desplazamiento del cero de un micrómetrodebido al uso, una balanza desnivelada, un defecto visual del medidor, etc.

Errores accidentales

Los errores accidentales son producidos por variaciones indeterminadas que provocan alteracionesen uno u otro sentido de los resultados. A diferencia de los sistemáticos, la reiteración del proceso demedición permite ponerlos de manifiesto; incluso, puede calcularse su cuantía para tenerla en cuenta enel resultado final del conjunto. Lo que no es posible, es encontrar una corrección aplicable a cadamedida; por eso se les considera como errores incontrolables. Ejemplos: una vibración imprevistadurante la medición, la oscilación de la temperatura, una distracción momentánea del observador, etc.

Causas de error

La diferente naturaleza de los errores de medida se debe a que las causas que los provocan son, a suvez, diferentes. Es imposible conocer, exactamente, todas las causas de un error, pero sí es convenienteconocer las más importantes y tener una idea que permita evaluar los errores más comunes en todoproceso de medida. Dichas causas se pueden clasificar, según su influencia, en:

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Errores debidos al operador

En los instrumentos no digitales, los datos se obtienen a partir de una graduación, mediante unproceso de observación de una escala del tipo que se muestra en la figura 4.1.:

Figura 4.1. Error debido al operador.

Fuente: http://jogomez.webs.upv.es.

En las lecturas de estas escalas resultan errores de apreciación, interpolación, coincidencia, etc. Siademás, las dos escalas que componen cualquiera de estos sistemas de lectura, están situadas endiferentes planos, puede aparecer el error de paralaje, cuando la visual del operador no es perpendiculara estos planos.

Errores debidos al instrumento de medida

Cualquiera que sea la precisión de diseño y fabricación de un instrumento de medida, siemprepresenta imperfecciones. Tanto estas, como las que irá adquiriendo por el uso, son fuentes de erroratribuibles al instrumento.

En general, los errores producidos por un instrumento en perfecto estado, no deben ser superiores ala décima parte de su escala. El desgaste es la principal causa de estos errores. En términos generales,todo equipo de medición se desgasta con el uso de ejes, palancas, etc., y, al cabo de cierto tiempo, lacuantía de estos errores es inadmisible.

A fin de reducir al mínimo estos desgastes, las partes de contacto se elaboran en materiales de grandureza, como metales duros o productos cerámicos.

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Errores debidos a agentes externos o ambientales

La temperatura a la que se encuentran los instrumentos de medida y las piezas, reviste una importanciafundamental en el terreno de la metrología dimensional.

La Norma ISO 17025, 2017, sobre “Requisitos Generales para la competencia de los laboratorios deensayo y calibración”, indica, en su apartado 5.1 Generalidades, la necesidad de disponer deinstalaciones y condiciones ambientales acordes a los requerimientos del tipo de medición y/o ensayoque se vaya a realizar en laboratorio. Según los estándares internacionales, la temperatura de referenciaen metrología dimensional es de 20°C.

Otros agentes externos también influyen en la medición, como pueden ser la humedad (para unamedición de precisión debe oscilar alrededor del 50%), la presión atmosférica, el polvo y la suciedad engeneral. Asimismo, las vibraciones también pueden alterar una medida y, en general, son más peligrosaslas de mayor amplitud y frecuencia.

Cálculo de errores

Hasta ahora se han analizado las causas de error y el modo de evitarlas. Pero como ello nunca seráposible en su totalidad, es conveniente ver cómo han de manejarse cuando se conoce su cuantía.

Si al medir una magnitud (x0) se obtiene, experimentalmente, un valor aproximado (x), a la diferencia sele llama error absoluto (e):

El error absoluto será siempre desconocido, ya que, experimentalmente, siempre se obtendrá un valoraproximado. Por eso, en la práctica se dan los límites o cotas de error, que son números positivos pordebajo de los cuales se consideran inferiores los valores absolutos de los errores. La diferencia de estosvalores, o lo que es igual, la amplitud del intervalo del error es la incertidumbre de la medida. Por ejemplo,en una regla cuyas divisiones sean milímetros, el error absoluto será ± 1 mm. y en un cronómetro cuyasdivisiones valgan 2 décimas de segundo, el error absoluto máximo será ± 0,2 s.

Con el error absoluto no es posible juzgar el grado de aproximación de una medida. Por ejemplo, unerror de 2 cm en el diámetro de un pistón es inadmisible, mientras que no tiene importancia en la longitudtotal del cable de un elevador. Por esta razón, se recurre al error relativo (e), que se define como el cocientedel error absoluto por el valor de la magnitud que se mide:

Al no conocerse x0, se fija una cota superior para e, lo mismo que se hace para e. Normalmente, seexpresa en tanto por ciento o en tanto por mil.

De las expresiones anteriores también se puede deducir:

pero, como e se puede poner: , resulta:

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Cuando se conoce el error de una o varias magnitudes, el cálculo permite determinar fácilmente el errorcorrespondiente a otras dependientes de ellas, si se conoce la relación que las liga. Es preciso, sinembargo, que las medidas que vayan a intervenir en el cálculo de una magnitud tengan, todas, el mismoerror relativo o, dicho de otro modo, el mismo grado de precisión.

A continuación, vamos a indicar la forma de cálculo de los errores en las operaciones más corrientes:

1

El error absoluto del producto de una constante por una magnitud es igual al producto de la constantepor el error absoluto de la magnitud.

2

El error absoluto de la suma de varias magnitudes homogéneas es menor o igual que la suma de loserrores absolutos de las mismas:

3

El error relativo de un producto es la suma de los errores relativos de los factores. Si la medición dex0 e y0 han dado los valores x e y con errores relativos y :

4

El error relativo de un cociente es la diferencia de los errores relativos del dividendo y del divisor. Sihacemos las mismas consideraciones anteriores:

3.1.2. Incertidumbre de la medida

Ha sido práctica usual llamar precisión a la expresión cuantitativa de los errores de medida. Actualmente,este concepto se emplea como término cualitativo, mientras que se empleamos la incertidumbre para laexpresión cuantitativa.

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Así, se define como incertidumbre al intervalo de valores dentro de los cuales se encuentra, con casitoda seguridad, el verdadero valor de una magnitud medida. Dicho intervalo es simétrico respecto al valorconvencionalmente verdadero (valor medio de los n valores obtenidos). La incertidumbre de medida seexpresa mediante la semiamplitud del intervalo con el símbolo ± delante, y debe estar presente en elresultado de la medición.

Este intervalo es debido:

1

Al error humano y al error debido al ambiente que no es achacable a la temperatura.

2

Al error debido a la temperatura.

3

Al error debido al instrumento de medida. La calibración del instrumento determina la contribución delmismo al intervalo de incertidumbre.

Así pues, a la hora de evaluar las incertidumbres hay que empezar por las incertidumbres típicas quecontribuyen a ella. Estas se clasifican en dos tipos: A y B.

La incertidumbre debida al error humano y al ambiente (Error 1) son del tipo A y pueden determinarseanalíticamente una vez conocidos una serie de factores.

Las incertidumbres debidas a los errores referidos como errores 2 y 3 son del tipo B. Si se posee uncertificado de calibración en el que se indique la incertidumbre del instrumento, las incertidumbres típicasde este tipo pueden obtenerse dividiendo la incertidumbre correspondiente por un factor que generalmente,también viene indicado.

Una vez cuantificadas todas las incertidumbres típicas que afectan a la medición, puede determinarse laincertidumbre típica combinada, que multiplicada por un factor de incertidumbre da la incertidumbre demedida o incertidumbre expandida, mediante una expresión del tipo:

Siendo U(xi) cada una de las incertidumbres típicas que afectan a la medición.

3.2. Cualidades de un instrumento de medida

El instrumento de medida es un factor primordial en la medición, ya que proporciona la medida real de lapieza. Según sea la concordancia entre este valor y el nominal, así será también su exactitud, siendo estauna de las características que definen al instrumento. En conjunto, todas estas características, son:

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Campo de medida

Intervalo de valores que puede tomar la magnitud a medir con un instrumento, de manera que el error demedida sea inferior al máximo especificado para el instrumento. Un aparato puede tener varios camposde medida.

Alcance

Valor máximo del campo de medida.

Escala

Conjunto ordenado de signos en el dispositivo indicador que representan valores de magnitud medida.

División de la escala

Intervalo entre dos valores sucesivos de la escala. Hay instrumentos de división constante y de divisiónvariable.

Exactitud

Viene dada por el error, siendo tanto mayor cuanto menor sea este. En esta cuestión se sigue la siguientenorma: el instrumento de medida debe tener una exactitud diez veces superior a la prescrita para la pieza.Así, para medir décimas de milímetro debe usarse un aparato que aprecie centésimas.

Sensibilidad

La sensibilidad de un instrumento de medida se expresa por el cociente entre el incremento observableen la variable y el incremento correspondiente a la magnitud medida. Dicho de otra forma, cuanto mayorsea la variación observable en la escala con respecto a la variación de la medida en la pieza, mayor es lasensibilidad del instrumento.

Precisión

Es un concepto que no debe confundirse con la exactitud. La precisión debe entenderse como exactituden la lectura y se refiere a la mayor o menor facilidad con que pueden recogerse los valores en la escaladel instrumento.

Apreciación

Mínima variación de la magnitud registrada por el aparato.

Repetibilidad

Es la aptitud del instrumento para reproducir la medida realizada sobre la misma pieza en igualescircunstancias. También se le denomina fidelidad.

Dispersión

Grado de separación o diseminación que presentan las observaciones o medidas de una serie.Normalmente, se suele tomar como valor de la dispersión el máximo absoluto de las desviaciones dedicha serie.

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Fiabilidad

Facultad de un instrumento para realizar una función requerida bajo condiciones establecidas durante untiempo determinado. Generalmente, se expresa por un número que indica la probabilidad de que secumpla esta característica.

IV. Calidad y control de calidad

Todas las técnicas de medición y verificación que se analizan en este módulo entran en lo que sedenomina control de calidad. Tradicionalmente, el control de calidad se relacionaba con la detección dedefectos en los productos fabricados, y las acciones correctivas para evitarlos. Es decir, el control decalidad se limitaba a inspeccionar el producto y sus componentes, y decidir si las dimensiones, y otrascaracterísticas, cumplían las especificaciones de diseño.

El concepto de calidad actual abarca un campo mucho más amplio, incluyendo desde la fase de diseñoal proceso de fabricación, las relaciones con el cliente y los servicios posventa.

La calidad es algo que se reconoce cuando se ve, pero no es fácil definirla. Técnicamente, se definecomo “la totalidad de características de un producto o servicio que comprenden su capacidad parasatisfacer necesidades determinadas”.

1

Calidad de las características del producto.

2

Carencia de defectos.

Un sistema de calidad actual se divide en dos funciones básicas:

Control de calidad en línea

El control de calidad en línea tiene que ver con las operaciones y relaciones con los clientes despuésde servir el producto o servicio.

Control de calidad fuera de línea

Por su parte, el control de calidad fuera de línea consta de dos etapas:

Diseño del producto

La etapa de diseño del producto implica el desarrollo de un producto nuevo o un nuevo modelo apartir de uno preexistente. Las metas en el diseño del producto son identificar adecuadamente lasnecesidades de los clientes y diseñar un producto que cubra tales necesidades y se fabrique de formaconsistente y económica.

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Diseño del proceso

La etapa de diseño del proceso es lo que, generalmente, se considera como la función de laingeniería de fabricación. En este diseño se involucran diversas tareas, como especificar los procesosy equipos, establecer los procedimientos de trabajo, documentarlos y desarrollar las especificacionesclaras y manejables para la fabricación.

El control de procesos implica el uso de técnicas estadísticas para valorar y analizar las variaciones deun proceso. Los métodos estadísticos de control (Statistical Process Control o SPC) incluyen llevarregistros de los datos de la producción, histogramas, análisis de capacidad de procesos y diagramas decontrol.

Las variaciones en cualquier proceso se dividen en dos tipos:

Variaciones aleatorias

Son las únicas presentes si el proceso está dentro del control estadístico.

Variaciones asignables

Que indican una salida del control estadístico.

Diagrama o gráfica de control

Un diagrama o gráfica de control es una técnica gráfica en la cual se trazan estadísticas calculadas apartir de valores medidos de ciertas características del proceso (por ejemplo, límites de tolerancia)durante un periodo, a fin de determinar si el proceso sigue bajo control estadístico.

En el gráfico 4.1. se ilustra la forma general de un gráfico de control. Este gráfico tiene tres líneashorizontales que permanecen constantes con el tiempo; una central, que coincide con el valor nominal dediseño, un límite de control inferior y un límite de control superior.

Los límites de control superior e inferior se establecen en ± 3 desviaciones estándar de las medias demuestra.

El objetivo de los diagramas de control es identificar cuándo ha salido de control estadístico elproceso, por lo que señala que deben tomarse algún tipo de acción correctiva.

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Gráfico 4.1. Límites de control.

Fuente: http://danyalejoana.blogspot.com.

Es poco probable que una muestra dibujada del proceso se encuentre fuera de los límites superior oinferior, mientras las operaciones estén dentro de control estadístico. Por tanto, si algún valor de muestracae fuera de esos límites, significa que el proceso está fuera de control. El paso siguiente es realizar unainvestigación que determine las causas, y establecer acciones correctivas que las eliminen. Por las mismasrazones, si el proceso se encuentra dentro de control estadístico y no hay evidencias de tendencias nodeseadas en los datos (valores acercándose a los límites superior o inferior), no deben realizarse ajustes,dado que introducirían una variación asignable en el proceso.

V. Calibración de instrumentos

Calibración

Por calibración se entiende el conjunto de operaciones a realizar para establecer la relación entre lasindicaciones que da un instrumento, y los correspondientes valores de una magnitud física medida yconocida de antemano (patrones de referencia) y para calcular la incertidumbre.

Para llevar a cabo la calibración de un instrumento de medida, es necesario disponer de una serie depatrones previamente calibrados (por ejemplo, en los instrumentos para medida de longitudes, se usan losbloques o caja patrón), y de un certificado de calibración, en el que deben estar recogidos los siguientesdatos:

X0i = valor del patrón en un punto i.

U0i = incertidumbre expandida del patrón en el punto i.

K0i = factor de incertidumbre aplicado al punto i.

A partir de estos datos, se puede calcular la incertidumbre típica del patrón:

Se llama calibrar un instrumento de medida o un patrón al conjunto de operaciones que tienenpor objeto estimar el error del instrumento o del patrón y determinar la incertidumbre de losmismos. Una vez realizadas, se procede, si es posible, al ajuste del instrumento.

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Se comienza la calibración seleccionando, de una forma equidistante a lo largo de la escala, una serie depuntos del campo de medida del instrumento. Estos puntos de calibración i se materializan físicamentemediante los patrones correspondientes, oscilando entre 5 y 20 puntos de calibración.

Sobre dichos puntos se reiteran varias medidas (entre 5 y 10 normalmente), a partir de las cuales sedeterminan la media aritmética, la desviación típica y la corrección de calibración en cada punto, siendoesta última la diferencia entre el valor del patrón para un determinado punto y el valor medio de las medidasen dicho punto.

A partir de los valores medios medidos sobre los patrones en cada punto se obtiene el gráfico o curvade calibración.

Una vez obtenida la corrección de calibración y la incertidumbre para cada punto de calibración, seestablece la incertidumbre global del instrumento y la corrección global del mismo. Para proceder a suajuste se puede actuar de varias formas:

Actuar, manualmente, sobre la escala del instrumento, desplazando el cero un valor igual a la división deescala E, o igual a un múltiplo de la misma. Es decir, el valor de corrección hallado se redondea a unmúltiplo de la división de la escala del instrumento. En este caso, se establece una corrección residualque es igual a la diferencia entre el valor de corrección hallado y el valor del múltiplo de la división de laescala que se haya tomado. Esta corrección residual se incorpora a la incertidumbre del instrumento.

Cuando no se pueda actuar sobre el instrumento de forma manual, el valor de la corrección se le añadeo resta (depende de si es por defecto o por exceso) al valor de las mediciones realizadas con elinstrumento al medir una pieza.

Cuando no se puede actuar sobre el instrumento de forma manual, también se puede tomar la decisiónde no corregir la medida tomada con dicho instrumento. En este caso, toda la corrección de calibraciónpasa a ser componente de la incertidumbre, es decir, se suma a la incertidumbre global del instrumento.

La calibración de los instrumentos es una operación fundamental en la actualidad, ya que la normativasobre sistemas de aseguramiento de la calidad (Normas UNE-EN-ISO-9000) exige para toda lainstrumentación utilizada en el control de cualquier tipo de fabricación un plan de calibración acorde a laclase de instrumento y sus condiciones de utilización. Estas calibraciones deben realizarse en laboratoriosde entidades reconocidas y certificadas.

La confianza, en la bondad y en las indicaciones de los instrumentos de indicación y control, depende dela gestión de calibraciones y es vital para la producción de calidad de una planta.

La gestión de calibraciones de los instrumentos de la planta consta de las partes siguientes:

1

El test de calibración, en el que se define la exactitud, la frecuencia de las calibraciones, los puntos delrango a verificar y el establecimiento de los patrones. De este modo, se tiene un histórico de comoestaba el equipo y como queda después de calibrarlo.

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2

La periodicidad de las calibraciones.

3

Las rutas de calibración que, en conjunción con calibradores con protocolo digital, permite realizarcalibraciones automáticas.

Cada día hay más aparatos de calibración con patrones automáticos que son compatibles conprotocolos digitales (HART, Fluke, Beamex, Druck, etc.) y que son utilizados por la mayoría de lasempresas. Los equipos de calibración automáticos simplifican enormemente el trabajo de calibración ypermiten emitir, automáticamente, curvas de calibración y los certificados correspondientes, así como unhistórico de calibraciones con las incidencias encontradas.

5.1. Planes de calibración

Obtener unos buenos índices de calidad, determina la bondad de un proceso de fabricación industrial.Para conseguirlo se establece lo que se denomina un Sistema de Aseguramiento de la Calidad, que para quesea reconocido y su aplicación sea de carácter general, debe seguir unas pautas indicadas por unanormativa internacionalmente aceptada; en este caso las famosas normas ISO-9000.

Se hace uso de un sistema de calidad cuando se quiere que los productos fabricados cumplan unasespecificaciones prescritas en el diseño, con el objeto de asegurar su funcionalidad e intercambiabilidad almenor coste posible.

Para asegurar que los valores de las magnitudes que va imponiendo el proceso de fabricación, estándentro de tolerancia, es preciso medir bien. Para ello, los equipos e instrumentos de medida deben ser,periódicamente, calibrados.

Se entiende por calibración el conjunto de operaciones que tiene por objeto determinar los valores quecaracterizan la incertidumbre de un patrón, instrumento o equipo de medida.

Para poder realizar la calibración de un patrón, instrumento o equipo de medida, hace falta otro demayor precisión, que proporcione el valor convencionalmente verdadero; a su vez, este necesitaría otroque lo calibrase, y así sucesivamente, a través de una cadena ininterrumpida de comparaciones, hasta ladefinición de unidad básica de medida. A esta propiedad de referencia se le denomina trazabilidad.

La trazabilidad es recorrer el camino, partiendo de los instrumentos de uso diario y llegando a lospatrones primarios. De esta manera, es posible referir el resultado de una medición a los patronesadecuados, mediante una cadena ininterrumpida y documentada de comparaciones.

En metrología se denomina plan de calibración a:

Una trazabilidad completa se consigue mediante la aplicación de un plan de calibraciónpermanente.

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Plan de Calibración

“la organización del conjunto de patrones, equipos e instrumentos de medidas y accesorios existentesen un laboratorio o en un centro de medición, para efectuar calibraciones de los mismos metódicamente,de forma que se pueda asegurar, en todo momento, la trazabilidad y la incertidumbre de las medidas quecon ellos se realicen”.

Unas ideas que podemos resaltar para aclarar la cuestión son las siguientes:

Un plan de calibración afecta a todas las industrias y laboratorios que hagan uso de accionesmetrológicas.

La calibración afecta a todos los patrones, equipos e instrumentos de medida del centro. En definitiva, atodos los dispositivos destinados a hacer una medición, solos o en conjunto con otros.

El objeto de un plan es la calibración sistemática y metódica de los elementos metrológicos citados, paraasegurar la trazabilidad e incertidumbre de las medidas que se realicen con ellos.

El objetivo final es facilitar la obtención del aseguramiento de la calidad en industrias y Laboratorios.

La documentación de que consta un plan de calibración, es la siguiente:

Inventario

E l inventario es un documento básico para el conocimiento y control de los patrones, equipos,instrumentos y accesorios. En él, debe aparecer toda la información, consignada con un códigoidentificativo y una ficha de datos.

Diagrama de niveles

El diagrama de niveles es un gráfico en el que se registra la ordenación de los patrones, instrumentos yequipos, según su capacidad de calibrar. El criterio fundamental para la formación de grupos en eldiagrama de niveles es que todos los elementos del mismo se calibren con los mismos medios yprocedimientos.

Fichero de instrucciones de calibración

El fichero de instrucciones de calibración consiste en una colección de fichas, fácilmente identificablescon los grupos del diagrama, que contienen, con el suficiente detalle, el proceso y los resultados decalibración de los elementos del mismo. Este fichero tendrá tantas fichas como grupos de equiposaparezcan en el plan de calibración.

Archivo de datos

El archivo de datos consiste en un sistema que permite almacenar y tener, fácilmente disponible, todala información proporcionada por las calibraciones internas. Del archivo de datos se debe poder obtenerla evolución de cualquier equipo en el tiempo.

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Certificado de calibración

E l certificado de calibración es un documento que presenta, de forma precisa, el resultado de lacalibración con su incertidumbre, así como cualquier otra información relacionada.

Etiquetas de calibración

Las etiquetas de calibración son el medio de identificación de los equipos que han sido calibrados. Esuna etiqueta adhesiva para colocarla en cada elemento calibrado, indicando las fechas de calibración ypróximas calibraciones.

Programación de calibraciones

Uno de los puntos más importantes de un plan de calibración es la programación de calibraciones odeterminación de los periodos en que el patrón, instrumento de medida y accesorios, deben sercalibrados nuevamente. No existe un criterio único en la fijación del tiempo. El Sistema de CalibraciónIndustrial recomienda unos periodos donde se tiene en cuenta:

Grado de precisión del instrumento.

Frecuencia de uso.

Rentabilidad económica de la calibración.

Estabilidad y deriva con el tiempo del elemento de control.

Tabla 4.1. Guía para el diseño, implantación y mantenimientos de un sistema APPCC.

Fuente: Comunidad de Madrid.

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Carta de trazabilidad

L a carta de trazabilidad refleja, por último, la cadena de laboratorios o centros de superior nivelmetrológico, que enlazan nuestros patrones de referencia con los del laboratorio primario nacional, otroslaboratorios primarios extranjeros u otros organismos, de forma que quede, suficientemente asegurado,el enlace final a las unidades básicas de medidas del Sistema Internacional de Unidades (S.I.)

En el organigrama de la figura 4.2. se puede observar la organización secuencial de un plan decalibración.

Figura 4.2. Plan de calibración.

Fuente: elaboración propia.

Una vez planteado el plan de calibración, es necesario determinar los equipos que lo requieren. Para ello,se suele considerar:

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¿Qué equipos se pueden calibrar internamente?

En principio, todos para los que:

Se disponga de los patrones adecuados.

Se disponga de los procedimientos o instrucciones de calibración y medios técnicos yhumanos adecuados.

Se garantice la compatibilidad de los requisitos de las medidas realizadas con estos equipos,con los resultados de la calibración.

De cualquier manera, los patrones utilizados en las calibraciones internas habrán de calibrarseexternamente.

¿Qué ha de contener un certificado de calibración?

El contenido mínimo de un certificado de calibración es:

Identificación del equipo calibrado.

Identificación de los patrones utilizados y garantía de su trazabilidad.

Referencia al procedimiento, o instrucción de calibración, utilizado.

Condiciones ambientales durante la calibración.

Resultados de la calibración.

Incertidumbre asociada a la medida.

Fecha de calibración.

Firma (o equivalente) del responsable de la calibración.

Además de lo detallado en los puntos anteriores, ha de contener cualquier otro requisito especificadopor el cliente en el contrato o pedido.

Instrumentación. Control de procesos.

La Nota Técnica 62 de ENAC (Entidad Nacional de Acreditación y Certificación) indica, que lacalibración externa de los equipos se debe llevar a cabo por un laboratorio acreditado o por unInstituto Nacional de Metrología, incluido en el listado de los firmantes del acuerdo CIPM MRA (comité internacional de equivalencia de mediciones ).

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VI. Resumen

La metrología se puede considerar como la ciencia “que todo lo mide”: sus magnitudes, asícomo los parámetros de medida, las unidades de medición, los valores de tolerancia, los patronesde referencia, los errores y la incertidumbre.

La aplicación a la ciencia, de la metrología, se puede encontrar como base en la economía, yaque todo lo que se compra y se vende debe pasar por un proceso de medición cuantitativo. Así sepuede tener la seguridad de que “lo que se vende” es, efectivamente, “lo que se está pagando”.

Como ejemplos de parámetros de medición determinados por la metrología, se puedenmencionar ejemplos como: litros de agua, kilovatio de electricidad, grado alcohólico, peso dealimentos, temperatura alcanzable de los equipos frigoríficos, grosor de neumáticos, metroscuadrados de una industria, kilómetros de una carretera, etc.

Con respecto a la calibración de los instrumentos, en las Normas UNE-EN-ISO-9000 se exige,para toda la instrumentación utilizada en el control de cualquier tipo de fabricación, un plan decalibración acorde a la clase de instrumento y sus condiciones de utilización. A partir de los planesde calibración, se consigue asegurar que los índices de calidad sean lo más óptimos posible paraun proceso de fabricación de la industria alimentaria.

El objetivo final del plan de calibración es facilitar la obtención del aseguramiento de la calidaden industrias y laboratorios. Con este se consigue:

Seguridad en los datos obtenidos.

Evitar reprocesos.

Reducir errores.

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Ejercicios

Caso práctico

Ejercicio 1

Como experto en metrología y calibración, expón tus conocimientos en la materia contestando a lassiguientes cuestiones:

Con respecto a la incertidumbre, ¿es posible realizar una calibración sin tener en cuenta estacorrección de la medida?

¿Qué diferencia existe entre calibración y verificación?

¿Con qué frecuencia se debe recalibrar un patrón/instrumento?

Ejercicio 2

Supón que estás trabajando, como responsable de calidad, en una empresa láctea. Teniendo encuenta el proceso de elaboración de yogur que se describe a continuación en el flujograma, establececuáles son los parámetros fisicoquímicos a medir en las etapas de recepción de leche cruda, elalmacenamiento de la leche en tanque y la incubación del cultivo, el rango de medida y el equipoapropiado para realizar dicha medición.

Solución

Ejercicio 1

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Con respecto a la incertidumbre, ¿es posible realizar una calibración sin tener encuenta esta corrección de la medida?

En caso de guiarse por la norma UNE-EN ISO/IEC 17025:2017, de requisitos generales para lacompetencia de los laboratorios de ensayo y calibración, esta plantea que se debe incluir laincertidumbre de medición en los certificados de calibración.

¿Qué diferencia existe entre calibración y verificación?

En primer lugar, se definen ambos conceptos según el VIM (Vocabulario Internacional deMetrología):

La calibración es “aquella operación que bajo condiciones especificadas establece, en una primeraetapa, una relación entre los valores y sus incertidumbres de medida asociadas, obtenidas a partir de lospatrones de medida, y las correspondientes indicaciones con sus incertidumbres asociadas y, en unasegunda etapa, utiliza esta información para establecer una relación que permita obtener un resultado demedida a partir de una indicación”.

La verificación es la “aportación de evidencia objetiva de que un elemento dado satisface losrequisitos especificados”.

Por tanto, son conceptos que se complementan y deben desarrollarse conjuntamente, para poderasegurar la trazabilidad en las mediciones consideradas. No se debe caer en el error de confundir ambosprocesos, ya que los dos son necesarios para garantizar la calidad de los productos en los cuales se hanrealizado las mediciones.

¿Con qué frecuencia se debe recalibrar un patrón/instrumento?

No existe un periodo fijo establecido, aunque es conveniente que los instrumentos nuevos seancalibrados con mayor frecuencia, con el objeto de determinar su precisión y estabilidad a lo largo deltiempo.

El periodo de calibración depende de dos factores principales, como son la frecuencia y severidad deuso del equipo. La frecuencia de las calibraciones queda establecida en el cumplimiento del programa decalibración propuesto por la empresa. Si las calibraciones se realizan en laboratorio externo, este debeestar acreditado bajo norma ISO 17025.

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Ejercicio 2

Recepción leche cruda:

Almacenamiento en refrigeración:

Incubación:

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Metrología y calibración © Ediciones Roble, S.L. · 2020. 10. 19. · II. Objetivos Conocer el...

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