Universidad de Costa Rica Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales LanammeUCR

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Metrología de fuerza Metrología de fuerza aplicada a laboratorios de aplicada a laboratorios de

ensayoensayo

Metrología de fuerza Metrología de fuerza aplicada a laboratorios de aplicada a laboratorios de

ensayoensayo

23 de Mayo 201223 de Mayo 2012

Preparado por: Preparado por:

Ing. Humberto TioliIng. Humberto Tioli

Ing. Alejandro NavasIng. Alejandro Navas

IntroducciónIntroducción

La magnitud fuerza está presente en muchos aspectos de nuestro quehacer cotidiano.Entre las aplicaciones más comunes de la metrología de fuerza se tienen:•Industria: procesos de fabricación, control de calidad de producto terminado.•Ingeniería: diseño.


•Construcción: control de calidad de materiales.


• Salud: biomecánica y ciencia del deporte.

• Investigación


En los campos de aplicación mencionados, una de sus funciones principales se da en la parte de ensayos de laboratorio.De ahí la importancia de profundizar en el rol que cumple la magnitud fuerza en la realización de ensayos, con el fin de garantizar la validez técnica de las mediciones que se realizan.


Esta entrega se enfoca de manera general en aquellos factores que se deben tomar en cuenta para mantener apropiadamente el equipo de fuerza que se utiliza en los laboratorios de ensayo, específicamente las máquinas de fuerza, desde el punto de vista metrológico y de mantenimiento.La información que se presenta es útil para cualquier laboratorio de ensayo que utilice máquinas de fuerza, independientemente si operan o no bajo un sistema de gestión de calidad basado en la norma INTE-ISO/IEC 17025:2005.

Concepto de fuerzaConcepto de fuerza

Concepto de fuerza: segunda ley de Newton, la cual establece que la fuerza es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. Lo anterior se resume en la siguiente expresión matemática:

F = mam: masa del cuerpo a: es la aceleración. La magnitud fuerza es una unidad derivada de la magnitud masa.

Conceptos de fuerzaConceptos de fuerza

De acuerdo con el Sistema Internacional de Unidades, la fuerza se expresa en newton (N).En nuestro país es obligatorio el uso del SI. Las mediciones de fuerza se deben reportar en newton o utilizando sus múltiplos o submúltiplos. Es muy común el uso del kilonewton (kN), o el meganewton (MN) debido a que el newton como tal, representa una fuerza muy pequeña.

Unidades de FuerzaUnidades de Fuerza

Existen otra unidades para la magnitud fuerza que poco a poco van dejando de utilizarse con el fin de ir dando paso al SI.

1 kgf equivale a 9,80665 N

1 lbf equivale a 4,448222 N

1 dina equivale a 0,00001 N

Dispositivos para medición de fuerzaDispositivos para medición de fuerza

No es posible ver una fuerza, pero si es posible observar sus efectos o manifestaciones: movimiento, deformación.Ejemplo: la fuerza de la gravedad

Utilizar dispositivos para la medición de fuerza basados en su definición es poco práctico. Por eso se han ideado instrumentos para la medición de fuerza basados en una de sus manifestaciones: la deformación (Ley de Hooke) y que aprovechan las propiedades elásticas de ciertos materiales, como el acero.La cantidad de estiramiento (x) o de compresión (cambio de longitud), es directamente proporcional a la fuerza aplicada (F).

F = k x


Los dispositivos más comunes para la medición de fuerza es el anillo de carga, también conocido como anillo de prueba o anillo elástico y los transductores de fuerza, también llamados celdas de carga.


Fuerza y Laboratorios de EnsayoFuerza y Laboratorios de Ensayo

En Costa Rica, la magnitud fuerza se utiliza para ensayos en:•Papel y cartón


•Cemento y concreto,•Geotécnia , suelos

•Estructuras


•Cables eléctricos


•Láminas de Fibrocemento•Adhesión de pinturas, morteros y pegamentos


•Mezclas bituminosas (mezcla asfáltica)


•Ensayos de tela


•Aceros•Hules


La mayoría de los laboratorios de ensayo realizan pruebas destructivas en materiales, piezas o componentes, donde la magnitud fuerza interviene directamente, con el fin de determinar propiedades mecánicas, donde la principal es la resistencia.


En Costa Rica, una buena parte de los laboratorios de ensayo están enfocados en materiales de construcciónLas máquinas de ensayo más comunes son las de falla de cilindros de concreto.


Máquinas de ensayos para mezclas asfálticas y suelos


•Máquinas de ensayos universales


Configuraciones típicas de las máquinas de ensayos


Máquina de falla de cilindros de concreto

Máquina de ensayos baja capacidad



Cuidados del equipo Cuidados del equipo 1. Máquina de ensayos bien instalada, en un sitio donde

quede firmemente apoyada, minimizando el riesgo de que se vaya a caer.

2. Máquina de ensayo limpia.3. Cabeza de carga en buen estado y bien aceitada.

Cuidados del equipo Cuidados del equipo

4. Es deseable que cuando se utilizan indicadores electrónicos, estos cuenten con protección contra picos de voltaje (supresor de picos o una ups).

5. Cuando el equipo lo permita, durante una calibración se debe liberar la carga gradualmente cuando se ha alcanzado el punto de calibración máximo.


IMPORTANTE!En el caso de máquinas de ensayo hidráulicas, se debe prestar especial atención a no sobrepasar la carrera máxima del pistón, pero tampoco el pistón debe trabajar en la posición de cero desplazamiento (totalmente sentado). Atención


Mantenimiento del equipo Mantenimiento del equipo

1. Revisión y lubricación periódica de la cabeza de carga. Usar aceite, no grasa.

2. Revisión y corrección de fugas de líquido hidráulico.3. Cambio de líquido hidráulico. Seguir indicaciones del

manual del fabricante para especificaciones de este líquido.

4. Calibración periódica.

Mantenimiento del equipo Mantenimiento del equipo 5. Se debe calibrar o por lo menos comprobar el equipo

después de una reparación, cambio de aceite u otro relacionado, para asegurarse de que la máquina sigue reportando datos confiables.

6. Revisión o cambio de fajas (máquinas con mecanismos tipo motor-tornillo).

7. Revisión de conectores de cables de celda de carga.

CalibraciónCalibración

Métodos de calibración, basados en las normas internacionales:

•ASTM E4•ISO 7500-1

Resumen comparativo entre requisitos de normas internacionales para calibración de máquinas de fuerza y el IT-LF-01**

Características según norma

IT-LF-01 ASTM-E4 ISO-7500-1

Precargas3 en 0º y una antes de cada serie de carga.

Las necesarias para asegurar una lectura de

cero estable.

3 en 0º y una antes de cada serie de carga

Tiempo de precarga Más de 60 s --------- ------------

Tiempo entre series Al menos 30 sNo indica un tiempo

determinado. Debe ser uniforme

Al menos 30 s

No. de series en orden ascendente

3 Al menos 2 3

No. de series en orden descendente

2** Se realiza cuando la máquina se utiliza con

carga decreciente.

Series de cargas0º, 120º y 240º, opción

0º, 180º y 360º0º 0º , 120º y 240°

Número de fuerzas

Por lo menos una para cada intervalo de 10%

de la escala, procurando espaciarlas

de forma equitativa y respetando los

disposiciones del cliente en cuanto a la

carga máxima a la cual se puede llevar la

máquina.

Al menos 5

Al menos 5 en intervalos aproximadamente

iguales entre el 2% y el 100% del rango del indicador o escala

Temperatura estable ± 2 ºC ± 1 ºC ± 2 ºCIntervalo de temperatura

No se especifica No se especifica 10 ºC a 35 ºC

Conexión de dispositivos a energía eléctrica

-------- -------- ----------

Error de cero30 s después de cada

descarga30 s después de cada

descarga30 s después de cada

descargaFuerza mínima 200*resolución

* Opcional.

** Confeccionada con base en la tabla 6.2, página 54, del documento CNM-MMF-PT-004 publicado por CENAM en octubre de 2005.


Patrones típicos para calibración de máquinas de fuerza para ensayos


Trazabilidad hacia patrones primarios de fuerza.Ejemplos de patrones de masas suspendidas:


NIST, Estados Unidos

Trazabilidad hacia patrones primarios de fuerza.Ejemplos de patrones de masas suspendidas:


SIC, Bogotá, Colombia

•No olvidar que aquellas máquinas de fuerza para ensayos que tienen medidores de deformación o de desplazamiento, también deben ser calibrados con patrones adecuados

•Bloques patrón, deformímetros patrón o LVDT de referencia.


Calibración ≠ ajuste

Calibración comparar contra el patrón, reportar el error y la incertidumbre expandida

Ajuste: manipular la máquina o instrumento para compensar o minimizar el efecto sistemático de las diferencias con el patrón


Parámetros y errores máximos permisiblesASTM E4: 1 %LISO 7500-1: entre 0,5 %L y 3 %L

Fuente: norma ISO 7500-1, año 2004, versión en español


Qué pasa si la máquina está fuera de especificación y no se puede ajustar?Qué pasa si la máquina está fuera de especificación y no se puede ajustar?

Corregir lecturas.Ecuaciones de ajuste

•Declarar que no se cumple con ese parámetro de ASTM E4.•De acuerdo con lo que especifica INTE-ISO/IEC 17025:2005, se deben validar las desviaciones a los métodos de ensayos, en este caso, donde se aplica la corrección de datos

No permitido por ASTM E4

Definición de intervalos de calibraciónDefinición de intervalos de calibración

De acuerdo con INTE-ISO/IEC 17025:2005 se debe calibrar antes de su puesta en operación, o al menos comprobar.No se puede asumir que por el simple hecho de que el equipo está nuevo, sus errores están dentro de especificación.

Definidos por el usuario basado en historial de calibraciones previo, severidad de uso y su experiencia.

Orientación basada en normas internacionales:ASTM E4-09: 1 año, o más seguido si se requiere, sin sobrepasar los 18 meses.ISO 7500-1 (2004): 1 año.

Definición de intervalos de calibraciónDefinición de intervalos de calibración

Comprobaciones intermediasComprobaciones intermedias1. Sirven para mantener la confianza en el estado de

calibración de los equipos.2. Se deben realizar de acuerdo con un procedimiento

definido.3. La periodicidad de estas comprobaciones las define el

usuario con base en la severidad e uso del equipo y su experiencia. El historial puede ser útil para determinar estos intervalos.

4. Los patrones utilizados deben estar calibrados y con trazabilidad.

Factores que afectan las mediciones en máquinas de fuerza para ensayosFactores que afectan las mediciones en máquinas de fuerza para ensayos

•Velocidad de carga, seguir parámetros de normas de ensayo.•Pericia del operador•Calibración y ajuste de dispositivos complementarios para medición de deformaciones o desplazamiento.•Mantenimiento, principalmente de las cabezas de carga•Calidad de la corriente eléctrica. Protección del indicador.•Fugas, en el caso del equipo hidráulico.•Alineamiento de los marcos de carga.•Intercambio de piezas, indicadores u otros componentes entre máquinas sin realizar ajustes o calibraciones.

ConclusiónConclusiónEn general, los laboratorios de ensayo, independientemente si funcionan bajo un esquema de calidad apegado a la norma INTE ISO/IEC 17025:2005 o no, deben velar por la validez técnica de las mediciones que realizan, en este caso específico, las relacionadas con la magnitud fuerza.

Las mediciones que realizan los laboratorios de ensayo, principalmente en fuerza, repercuten directamente en nuestra vida cotidiana, porque generalmente van relacionadas con la seguridad humana en obras civiles (edificios, carreteras, puentes) o máquinas, entre ellas automóviles y aviones.

ConclusiónConclusión

Para ello se deben atender aspectos que van desde su mantenimiento, calibración hasta las buenas prácticas de laboratorio, para asegurar y demostrar que los equipos de fuerza son adecuados para el fin propuesto.

ConclusiónConclusión

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