Unidad II – Calibración de Instrumentos

La calibración es una operación que, bajo condiciones específicas, establece en una primera etapa una relación entre los valores y las incertidumbres de medida provistas por estándares e indicaciones correspondientes con las incertidumbres de medida asociadas y, en un segundo paso, usa esta información para establecer una relación para obtener un resultado de la medida a partir de una indicación.

PROBLEMA

Asegurar que las mediciones de masa, realizadas en una balanza, son confiables, repetibles, reproducibles y comparables.

OBJETIVO

Mantener y verificar el buen funcionamiento de los equipos, responder los requisitos establecidos en las normas de calidad y garantizar la fiabilidad y la trazabilidad de las medidas.

INTRODUCCIÓN

Dentro del rubro de equipos, las mediciones de masa son ampliamente usadas, así que para que estas sean confiables, es necesario asegurar la calidad de las mismas, es decir conocer el error y la incertidumbres con las que las obtenemos.

De manera general, los instrumentos que se emplean en estas mediciones son las balanzas, que sin importar la clase de exactitud que tengan, estas deben cumplir metrológicamente, y la forma de hacerlo es realizando una calibración metrológica.

Esta calibración consiste básicamente en realizar tres pruebas que son:

excentricidadrepetibilidadlinealidad (también denominada exactitud)

La excentricidad: como se comporta en cada uno de los puntos imaginarios del plato donde se coloca la masa, es decir al centro y en los cuatro extremos

La repetibilidad: nos refleja que tan repetibles son las lecturas y se realizan diez veces, siempre en el mismo punto

La linealidad: nos permite evaluar su comportamiento de lecturas ascendentes y descendentes, en diez puntos diferentes a lo largo de la escala, además de ser la prueba que nos permite, al comparar con los valores verdaderos de las pesas patrón, obtener la incertidumbre y el error en la medida

PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN

MensurandoEl mensurando es la masa de la pesa en medición que puede ser una masa patrón durante la calibración y/o una masa de prueba para la verificación.

Principio del métodoEl principio se fundamenta en colocar una carga sobre el receptor, este ejerce una fuerza sobre un transductor de esfuerzos o conjunto de ellos, que conectado al dispositivo indicador, proporciona lecturas en unidades de masa.

EQUIPO NECESARIO

La balanza para realizar la calibración, deben estar instaladas en mesas para pesar especiales, que consiste en una placa de piedra de granito, sin contacto con la pared, para evitar que estén expuesta a vibraciones incontrolables. En el caso de escribir, es necesario colocar una mesa adicional y únicamente dejar sobre la mesa de granito los patrones que se utilizaran en la calibración, así se evitan vibraciones innecesarias

Juego de pesas patrón calibrado, que cuente con certificado de calibración de un laboratorio acreditado. Los patrones deben ser por lo menos de una clase de exactitud mas elevada que la pieza a comparar; estas antes de realizar la evaluación pueden ser sacadas de su estuche y siempre deben ser transportadas sobre una charola para evitar que se caigan y puestas en la balanza un día antes del comienzo del ensayo. Las pesas destinadas a ser sometidas a ensayo, deben ser conservadas también en la sala de prueba. Las pesas no se deben exponer a un enfriamiento o calentamiento fuerte de corta duración para evitar empañamiento o corrosión. Los recipientes para las pesas deben estar cerrados

Guantes libres de pelusa

Tela libre de pelusa

Termómetro de vidrio para medir temperatura ambiental debe contar con un informe de calibración vigente de un laboratorio acreditado y una resolución de 1 °C

Higrometro: el higrometro debe contar con un informe de calibración vigente de un laboratorio acreditado, con una resolución de 10% o mejor

El barometro debe contar con certificado de calibración vigente, por un laboratorio acreditado, con una resolución de 10 Pa o mejor

OBSERVACIÓN: antes de cada calibración, tanto el patrón como el juego de pesas a comparar, deben ser conservados en la sala de prueba por un periodo de 12 a 24 h.

CONDICIONES AMBIENTALES

Es importante mantener la estabilidad ambiental durante el proceso de calibración. los requisitos de estabilidad en la temperatura aplican al espacio ocupado con los patrones y los equipos de medición, de tal manera que entre mayor sea la estabilidad del ambiente, mayor será la confiabilidad de los resultados.

La temperatura de verificación y calibración deben estar dentro del intervalo de 18 °C a 24°C y en lo posible esta temperatura debe mantenerse constante variando solo en 0,5° C. El intervalo sin fluctuaciones de temperatura debe permanecer 6 horas como mínimo.

También hay que mantener esta temperatura durante la noche. Las fluctuaciones en el cambio de humedad no afectan las evaluaciones de masas, pero es recomendable que se mantengan constantes en los periodos que dure la evaluación.

PROCEDIMIENTO

1.Leer el instructivo de manejo del instrumento y considerar todas las recomendaciones de manejo del fabricante y además se deben tener las siguientes consideraciones:

• El equipo debe estar colocado en un lugar libre de vibraciones, de luz solar directa, de corrientes de aire, así como de magnitudes de influencia

• El equipo debe conectarse a la fuente de energía, el tiempo que el fabricante considere para su calentamiento, o en su defecto es recomendable conectarla a la línea de corriente eléctrica 12 horas antes y previa a cualquier medición, se debe encender 30 minutos antes

2.Identifique la balanza anotando en una bitácora para lecturas de medición los datos que identifiquen la balanza

3.Clasifique a la balanza de acuerdo a su clase de exactitud, calcule el numero de escalones de verificación y determine el error máximo tolerado de la siguiente manera:

4. Identifique el escalón de verificación (e). Consulte en el instructivo del instrumento y localice el que proporciona el fabricante, en caso de que el fabricante no lo proporcione se pueden aplicar el siguiente criterio:

La division minima (d) = 0,0001 gEl escalón de verificación (e) = 0,001 g

6. Si el instrumento no tiene indicador auxiliar entonces el escalón de verificación corresponde a la division minima.

6. Calcule el numero de escalones de verificación dividiendo el alcance máximo de la balanza (A max. ) y el valor de “e”

n! = A max /e ……….. Ecuacion 1

7. Clasifique la balanza de acuerdo a la Tabla 1 que se encuentra a continuación y anótelo en la bitácora de trabajo

TABLA 1 DETERMINACION DE LA CLASE DE EXACTITUD DEL INSTRUMENTOPARA PESAR

8. El error máximo tolerado (EMT) utilizando la tabla 2 y anótelo también en la bitácora

TABLA 2 DETERMINACION DEL ERROR MAXIMO TOLERADO

OBSERVACIÓN : “m” corresponde a la carga expresada en escalones de verificación.

9. Manejo de pesas patrones

10. Use pesas patrones de referencia, trazadas al CENAM con certificado o informe de calibración vigente. Las pesas deben tener un error máximo de 1/3 del error máximo tolerado del instrumento a calibrar

11. Use guantes y pinzas para su manejo adecuado y jamás las toque con las manos

12. Coloque los patrones de referencia cerca del instrumento para pesar, con la finalidad de que ambos alcancen la misma temperatura

13. Después de usar cada patrón, colóquelo en el lugar que le corresponde dentro del estuche y nunca sobre la mesa de trabajo. Es permitido colocarlos sobre un lienzo de tela, que no produce pelusas

14. Manejo del instrumento para pesar

15. Limpiar el instrumento para pesar

• Limpiar las partes externas e internas del instrumento con un trapo libre de pelusa (diferente al que se emplea para colocar las pesas), las partes internas se refieren a: platillo, cámara de pesado

• Verificar el nivel del instrumento, corrigiendo con los tornillos correspondientes el nivel de burbuja

• Encender la balanza. Deje un espacio de 30 a 40 minutos junto con los patrones antes de iniciar la calibración

16. Determine el tiempo de estabilización

• Cargue el instrumento con una carga próxima al máximo, en instrumentos de bajo alcance y registre el tiempo de la aparente estabilización

• Cargue el instrumento con la carga mínima y registrar el tiempo de estabilización

• El tiempo de estabilización t corresponde al mas grande entre los dos periodos determinados

• Conocido el tiempo de estabilización t, en función de la operación de carga y descarga, se fija un tiempo T de intervalo entre las lecturas, estimado como el doble de t y que será constante para cada prueba

RESULTADOS

PRUEBAS METROLÓGICAS

Cada prueba metrológica es hecha a diferentes niveles con base al alcance. Una vez iniciada cualquier prueba no se puede suspender y reanudarla posteriormente, así como tampoco realizar ajustes a cero a mitad de las pruebas.

Antes de tomar la primera lectura si se recomienda ajustar a cero, pero una vez iniciada la prueba ya no se realizara este ajuste de nuevo.

Prueba de excentricidad

Esta prueba proporciona información acerca de la eventual anomalía, debida a cargas excéntricas en el plato del instrumento.

La prueba consiste en tomar 6 lecturas colocando la masa en 5 posiciones del plato. La carga debe ser de un tercio de la capacidad del instrumento. Después de cada lectura es necesario registrar la lectura sin carga (nunca se ajusta de nuevo a cero). Las diferentes posiciones se muestran en los siguientes diagramas, dependiendo de la forma del plato.

Las lecturas se registran en una tabla contenida en la bitácora, de la siguiente manera:

Cada celda con XXX corresponde a una celda con indicación numérica (lectura delinstrumento)Donde:

Li: lectura de cada posición.Lci = Li – . (Mini - Mini +1 ) ……….. Ecuacion 2

Dif = Lci – Lc 1 …………Ecuacion 3Dif. Max.= dif Lmax – dif Lmin ………… Ecuacion 4

Lc1 representa la media entre las lecturas corregidas en la posición 1 de cada una de las tres corridas y se obtiene en cada caso sumando los dos valores obtenidos en 1 entre 2

Lc 1 = promedio en 1 = (Posición 1 + Posición 1)/2

El resultado que estamos buscando en esta prueba es DIF MAX que se obtiene comparando las seis diferencias máximas y las seis diferencias mínimas y se confronta con los errores máximo tolerados.

Prueba de Repetibilidad

Se coloca una carga en el centro del platillo y se mide por 10 veces, con lecturas de carga mínima entre cada una de las veces. Esta prueba se ejecuta al 50% y al 100% de la escala total.

Observación: en todas las pruebas que se realicen en los instrumentos para pesar una vez iniciada cualquier prueba no se puede suspender la prueba y reanudarla posteriormente, así como tampoco realizar ajustes a cero a mitad de las pruebas.

Antes de tomar la primera lectura si se recomienda ajustar a cero, pero una vez iniciada la prueba ya no se realiza ningún ajuste a cero.

Los resultados de lectura obtenidos se registran bitácora para lecturas de medición.

Las lecturas Lc son calculadas de la misma forma que la ecuación (2)

Lm corresponde a los valores promedios de las columnas de las lecturas corregidas.

Lmax es el valor máximo de las lecturas corregidas.

Lmin es el valor mínimo de las lecturas corregidas.

SL corresponde a la desviación típica de las lecturas

S desviación típica del instrumento

S = √ SL 2 + ( d/2√3 )2

En este caso la repetibilidad es referida con 9 grados de libertad, ya que el numero de lecturas es 10.

Prueba de Linealidad

Con esta prueba se verifica en todo el intervalo de pesada, de la indicación del instrumento sea acorde con la carga aplicada dentro de los limites especificados por el fabricante.

La prueba consiste en realizar un mínimo de 20 pesadas, con 10 cargas ascendentes y 10 cargas descendentes, equidistantes en todo el campo de pesada, con las lecturas de la carga mínima intercalada.

Los resultados se informan en la bitácora para lecturas de medición de trabajo. La primera parte de la tabla corresponde a la

carga ascendente y la segunda mitad a la carga descendente.

Para la ejecución de esta prueba se requiere un juego de masas certificado de calidad adecuada a la clase de la balanza y la secuencia de lecturas viene dada por la tabla.

Lci = Li – . (Mini + Mini +1 )ΔZi = Mini +1 - Mini

Dmi = Lci - MciU = 2 √( S1 + S2 +….Sn)2 + S2 + ...

Esta U es la incertidumbre combinada para cada punto, en la que esta considerada las incertidumbres de los patrones empleados y la incertidumbre del instrumento obtenida en la prueba de repetibilidad.

Así entonces:

M: valor nominal de la carga aplicadaMc: valor de la carga informado por el laboratorio de calibraciónL: lectura del instrumentoLc: lectura corregida para cada carga diferente a ceroDm 1,2 : diferencia entre Mc-LcΔZ: diferencia entre cada lectura a carga Min y la sucesiva (Deriva de la balanza)U: incertidumbre asociada a Dm a un nivel de confianza del 95% ( de ahí utilizar el factor de 2)S1, S2,... Sn : incertidumbre de los patrones, que corresponde a la incertidumbre tipo BS: desviación típica del instrumento obtenida de la prueba de repetibilidad.

CERTIFICACIÓN

Así entonces se obtienen los resultados de las pruebas metrológicas y con los datos de la tabla de la prueba de Linealidad se realiza el calculo de incertidumbre.

El laboratorio de Física cuenta con una Hoja de Calculo para estimar la incertidumbre de cada medida, así como los errores de cada uno de los valores al compararlos con los informados en el certificado de calibración para las pesas patrón y que se encuentran en el certificado de calibración entregado por el laboratorio primario.

En la bitácora de trabajo para la calibración se van anotar:

Resultados de la prueba de excentricidad

Resultados de la prueba de repetibilidad

•Resultados de la prueba de linealidad

Cada una de las pruebas metrológicas es comparada con el error máximo tolerado (EMT) correspondiente a cada lectura y de acuerdo a lo establecido para la clase de exactitud del instrumento y de las pesas utilizadas que se definen en la NOM 010.

Se elabora un informe que contenga el valor nominal de cada pesa asignada para la evaluación, la diferencia de cada lectura comparada con el patrón, la incertidumbre asociada a cada medición y que se obtiene de prueba de linealidad. También se informa el error máximo tolerado (EMT) correspondiente, de acuerdo a la clase de exactitud del instrumento para pesar.