TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO
INSTITUTO TECNOLÓGICO DEL ESTADO DE OAXACA
DEPARTAMENTO SUPERIOR DE PROFESIONALES INGENIERÍA MECÁNICA DEPARTAMENTO DE METAL MECÁNICA NIVEL SUPERIOR PROFESIONAL MATERIA: METROLOGÍA Y NORMALIZACIÓN TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: UNIDAD 1 TEMA: “INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS “
NOMBRE DEL ALUMNO: GONZÁLEZ MANZANO JUAN DANIEL NUMERO DE CONTROL: 1er SEMESTRE GRUPO: 1MB HORA: 14-16 AULA: LIM1 NOMBRE DEL PROFESOR: INOCENTE VALERIANO HURTADO FECHA DE ENTREGA: 06/09/2017
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CONTENIDO:
1.1.
LA METROLOGIA COMO CIENCIA ………………………………………………………3
1.2.
IMPORTANCIA Y NECESIDADES DE LAS MEDICIONES …………………………4
1.3.
SISTEMAS DE UNIDADES Y PATRONES ………………………………………………..6
1.4.
CONCEPTOS DE MEDIDAS, PRECISIÓN ……………………………………………….9
1.5.
SENCIBILIDAD – INCERTIDUMBRE ……………………………………………………11
1.6.
ERRORES EN LAS MEDICIONES ………………………………………………………..12
1.7.
CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN..14
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1.1 LA METROLOGÍA COMO CIENCIA La metrología es la ciencia de la medida. Tiene por objetivo el estudio de los sistemas de medida en cualquier campo de la ciencia. También tiene como objetivo indirecto que se cumpla con la calidad. Los físicos y las industrias utilizan una gran variedad va riedad de instrumentos para llevar a cabo sus mediciones. Por otra parte, la Metrología es parte fundamental de lo que en los países p aíses industrializados se conoce como Infraestructura Nacional de la Calidad, compuesta además por las actividades de: normalización, ensayos, certificación y acreditación, que a su vez son dependientes de las actividades metrológicas que aseguran la exactitud de las mediciones que se efectúan en los ensayos, cuyos resultados son la evidencia para las certificaciones. Es la ciencia que estudia los aspectos teóricos y prácticos referidos a la medición de todas las magnitudes, como por ejemplo: la masa, la longitud, el tiempo, el volumen, la temperatura En términos generales, a través de la Metrología podemos saber en qué consiste y cómo se usa un sistema de unidades de medida, la cantidad de masa o volumen de un producto determinado, la distribución de valores de temperatura de diversos hornos de producción cuáles son los instrumentos apropiados para tal o cual medición y cuál es el procedimiento adecuado para efectuar un tipo de medición determinado.
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1.2. IMPORTANCIA Y NECESIDADES DE LAS MEDICIONES La importancia de la metrología en el ámbito cotidiano respecto al tema de la salud humana depende críticamente de la habilidad que se tenga al hacer diagnósticos exactos y rápidos, en los cuales las mediciones confiables juegan un papel significativo; por ejemplo, en la medición del colesterol en la sangre o para determinar el nivel de droga y alcohol en el cuerpo humano. hu mano. Referente al a l tema de la población tiene un doble efecto: no solamente ayuda a la creación de nuevos empleos a través de impulsar el desarrollo de las empresas, sino también ayuda a la protección de ésta al velar por el contenido, la calidad y la seguridad de los productos que se consumen y su impacto en el medio ambiente. Las mediciones juegan un importante papel en la vida diaria de las personas. Se encuentran en cualquiera de las actividades, desde la estimación a simple vista de una distancia, hasta un proceso de control o la investigación básica. La Metrología es probablemente la ciencia más antigua del mundo y el conocimiento sobre su aplicación es una necesidad fundamental en la práctica de todas las profesiones con sustrato científico ya que la medición permite conocer de forma cuantitativa, las propiedades físicas y químicas. Las mediciones es la forma de interpretar, estudiar y conocer un grupo de hechos del mundo natural, llamados hechos físicos. Los hechos físicos se agrupan con base en los siguientes aspectos: tiempo, espacio, masa, movimiento, energía, ondas, luz, electromagnetismo y radiaciones.
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La medición es un proceso básico de la ciencia que consiste en comparar un patrón seleccionado con el objeto o fenómeno cuya magnitud física se desea medir para ver cuántas veces v eces el patrón está contenido en esa magnitud.
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1.3. SISTEMAS DE UNIDADES Y PATRONES. Unidad de medida Una unidad de medida es una cantidad estandarizada de una determinada magnitud física es decir de una propiedad o cualidad medible de un sistema físico. Por lo general una unidad de medida toma su valor a partir de un patrón (unidades básicas o fundamentales) o de una composición de otras unidades definidas previamente (unidades derivadas). Un conjunto de unidades de medida en el que ninguna magnitud tenga más de una unidad asociada es denominado sistema de unidades como por ejemplo el sistema internacional de unidades que se explicara más adelante. Patrón de medida Un patrón de medición es una representación física de una unidad de medición. Una unidad se realiza con referencia a un u n patrón físico arbitrario o un fenómeno natural que incluye constantes físicas y atómicas. Por ejemplo, la unidad fundamental de masa en el Sistema Internacional (SI) es el kilogramo. Por lo tanto un patrón de medidas es el hecho aislado y conocido que sirve como fundamento para crear una unidad de medir magnitudes. Así como existen unidades fundamentales y derivadas de medición también existen diferentes tipos de patrones de medición, los cuales se clasifican por su función y aplicación en las siguientes categorías: a) Patrones internacionales Estos se definen por acuerdos internacionales. Y presentan las siguientes características: Representan ciertas unidades de medida con la mayor exactitud que permite la tecnología de producción y medición. Se evalúan y verifican periódicamente. Se evalúan y verifican con mediciones absolutas en términos de unidades fundamentales. b)Patrones de trabajo Los patrones de trabajo son las herramientas principales en un laboratorio de mediciones. Se utilizan para verificar y calibrar la exactitud y comportamiento de las mediciones efectuadas en las aplicaciones industriales.
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c) Segundo Es la duración de 9 192 631 770 períodos de radiación correspondiente a la transición entre 2 niveles hipéricos del estado fundamental del átomo de Cesio 133".El d) Metro (m) Es la longitud del trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo. e) Kilogramo (Kg) Es igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo f) Ampere (A) Es la intensidad de una corriente constante que manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produce una fuerza igual a 2 x 10-7 néwtones por metro de longitud. El g) Kelvin (K) Unidad de temperatura termodinámica, es la fracción 1/273.16de la temperatura termodinámica termodinámica del punto triple del agua. Además de la temperatura termodinámica (símbolo T) expresada en kelvin, se utiliza también la temperatura Celsius Celsius (símbolo t) definida por la ecuación ecuación t = (T) (T0) donde T0 = 273.15 K por definición. h) Mol (mol) Es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12.Cuando se emplee el mol, deben especificarse las unidades elementales, que pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones u otras partículas o grupos especificados de tales partículas.
Sistema Internacional de Unidades Este es la forma actual del sistema métrico decimal y establece las unidades que deben ser utilizadas internacionalmente. Su creación esta dada por el Comité Internacional de Pesos y Medidas con sede en Francia. Se establecen7 magnitudes fundamentales, con los patrones para medirlas: Longitud Masa Tiempo Intensidad eléctrica Temperatura Intensidad luminosa Cantidad de
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sustancia También establece muchas magnitudes derivadas, que no necesitan de un patrón, por estar compuestas de magnitudes fundamentales.
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1.4. CONCEPTOS DE MEDIDAS, PRECISIÓN Y EXACTITUD Medida: Medir consiste en obtener la magnitud (valor numérico) de algún objeto físico, mediante su comparación con otro de la misma naturaleza que tomamos como patrón. Esta comparación con un patrón, que constituye el acto de medir, está sujeta a una incertidumbre, que puede tener diversos orígenes. Nunca lograremos obtener el verdadero valor de la magnitud, siempre vamos a obtener un valor aproximado de la misma y necesitamos pues indicar lo buena que es esta aproximación. Por ello junto con el valor de la magnitud medida se debe adjuntar una estimación de la incertidumbre o error al objeto de saber cuan fiable son los resultados que obtenemos En ingeniería, ciencia, industria y estadística, exactitud y precisión no son equivalentes. Es importante resaltar que la automatización de diferentes pruebas o técnicas puede producir un aumento de la precisión. Esto se debe a que con dicha automatización, lo que logramos es una disminución de los errores manuales o su corrección inmediata. Precisión se refiere a la dispersión del conjunto de valores obtenidos de mediciones repetidas de una magnitud. Cuanto menor es la dispersión mayor la precisión. Una medida común de la variabilidad es la desviación estándar dé las mediciones y la precisión se puede estimar como una función de ella. Exactitud se refiere a cuán cerca del valor real se encuentra el valor medido. En términos estadísticos, la exactitud está relacionada con el sesgo de una estimación. Cuanto menor es el sesgo más exacto es una estimación. Cuando expresamos la exactitud de un resultado se expresa mediante el error absoluto que es la diferencia entre el valor experimental y el valor verdadero.
EXACTITUD Y PRECISIÓN La exactitud es lo cerca que el resultado de una medición está del valor
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verdadero. La precisión es lo cerca que los valores medidos están unos de otros.
Exactitud baja, Precisión alta
Exactitud alta,
Precisión baja
Exactitud alta, Precisión alta
Así que si estás jugando al fútbol y siempre le das al poste izquierdo en lugar de marcar gol, ¡entonces no eres exacto, pero eres preciso! Grado de exactitud La exactitud depende del instrumento de medida. Pero por regla general: El grado de exactitud es la mitad de la unidad de medida. ejemplos:
Si tu instrumento mide en "unidades" entonces cualquier valor entre 6½ y 7½se mide como "7"
Si tu instrumento mide "de 2 en 2" entonces los valores entre 7 y 9 dan medida "8"
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1.5 SENSIBILIDAD E INCERTIDUMBRE Sensibilidad Es la relación entre el desplazamiento de la marca en un u n aparato de medida y la variación de la magnitud, observada endicho aparato y la variación de la magnitud de medida que ha provocado dicho desplazamiento. Incertidumbre Es un parámetro asociado al resultado de una medida que caracteriza la dispersión de los valores que pueden atribuirse razonablemente a dicha medición; En metrología, es una cota superior desvalore la corrección residual de la medida. También se puede expresar como el valor de la semi-amplitud de un intervalo alrededor del valor resultante de la medida, que se entiende como el valor convencional mente verdadero. El Vocabulario Internacional de Metrología (VIM) define la incertidumbre de medida como Un parámetro, asociado al resultado de una medición, que caracteriza la dispersión de los valores que razonablemente podrían ser atribuidos al mensurando . Existen muchas formas de expresar la
Incertidumbre
de
medida
Conceptos derivados o asociados: incertidumbre, incertidumbre expandida, incertidumbre-calibración, incertidumbre máxima, incertidumbre, etc. Como concepto metrológico, es del mismo ámbito, pero diferente a los de tolerancia y precisión. Para la determinación del valor de las magnitudes fundamentales
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1.6 ERROR EN LAS MEDICIONES
Errores sistemáticos: sistemáticos: Son los errores relacionados con la destreza del operador Error de paralelaje: Este error tiene que ver con la postura que toma el operador para la lectura de la medición. Errores ambientales y físicos: Al cambiar las condiciones climáticas, éstas afectan las propiedades físicas de los instrumentos: dilatación, resistividad, conductividad, etc. También se incluyen como errores sistemáticos, los errores de cálculo, los errores en la adquisición automática de datos y otros. La mayoría de los errores sistemáticos se corrigen, se minimizan o se toleran; su manejo en todo caso depende de la habilidad del experimentador. Errores del instrumento de medición: Son los errores relacionados con la calidad de los instrumentos de medición: Error de lectura mínima: Cuando la expresión numérica de la medición resulta estar entre dos marcas de la escala de la lectura del instrumento. La incerteza del valor se corrige tomando la mitad de la lectura mínima del instrumento. Ejemplo: lectura mínima de 1/25 mm Elm = ½ (1/25mm)= 0,02 mm Error de cero: Es el error propiamente de los instrumentos no calibrados. Ejemplo: cuando se tiene que las escalas de lectura mínima y principal no coinciden, la lectura se verá que se encuentra desviada hacia un lado del cero de la escala. Si esta desviación fuera menor o aproximadamente igual al error de lectura minima, entonces:
Errores aleatorios: Son los errores relacionados en interaccion con el medio ambiente, con el sistema en estudio, aparecen aún cuando los errores sistemáticos hayan sido suficientemente minimizados, balanceadas o
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corregidas. Los errores aleatorios se cuantifican por étodos estadísticos. Si se toma nmediciones de una magnitud física x, siendo las lecturas x1 , x2, x3,…,xn ; el valor estimado de la magnitud física x, se calcula tomando el promedio de la siguiente manera.
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1.7 CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Los sistemas de aseguramiento de la calidad y cantidad de productos y servicios exigen la correcta indicación de los instrumentos de medición, cuya precisión debe ser consistente con su uso. La serie de normas ISO No. 9000 y No. 17025 requieren, para esto, trazabilidad con la realización de las unidades del Sistema Internacional (SI). Es decir, asegurar por medio de una cadena ininterrumpida de comparaciones su calidad metrológica. Por lo tanto, ser trazables a patrones nacionales e internacionales. En nuestros días, la aplicación de la metrología legal y la metrología industrial, permite asegurar la respuesta de los instrumentos de medición. La metrología legal lo hace a través de la verificación primitiva y periódica de los instrumentos involucrados dentro de las la s regulaciones legales. Por ejemplo, balanzas, pesas, termómetros, medidores de energía, material de vidrio para laboratorios, etc. Es a través de las calibraciones periódicas que, la metrología industrial, asegura la indicación de los instrumentos de medición que intervienen en un un sistema de calidad implementado. Los instrumentos involucrados son los reglamentados y los no reglamentados. Ambas acciones están relacionadas y están basadas en procedimientos de medición similares. Sin embargo, han sido establecidas con reglas, actividades e infraestructuras metrológicas separadas. Verificación: Es la actividad básica principal de los sistemas de metrología legal Calibración: Es utilizada en el aseguramiento de la calidad y en metrología industrial. Los organismos de acreditación la refieren como la acción fundamental que prueba la correcta indicación de un instrumento de medición.
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En la actualidad, se observa que hay una manifiesta demanda de conocimientos de metrología entre los diferentes grupos de usuarios.También puede apreciarse en algunos casos cierta confusión en el uso de términos como "errores límites e incertidumbre de medición". Muchas veces, el uso de instrumentos verificados legalmente dentro de un sistema de calidad puede presentar problemas, ya que sólo se indican los EMP (errores máximos permitidos), sin la determinación de la incertidumbre. Calibración: De acuerdo al Vocabulario Internacional de Metrología (VIM), la calibración puede ser definida como: "Una serie de operaciones que establecen, bajo condiciones específicas, la relación entre valores de la cantidad indicada por un instrumento de medición o sistema de medida, o valor representado por un material de referencia, y el valor correspondiente al patrón" La calibración muestra como el valor nominal de un material o indicación de un instrumento está relacionado al valor convencional verdadero del mensurando. El valor convencional verdadero es conocido por medio de un patrón de referencia trazable. De acuerdo con esta definición, calibración no necesariamente necesariamente involucra acciones de ajuste o mantenimiento de los instrumentos a ser calibrados. La siguiente figura muestra un diagrama de bloques sobre la calibración por comparación de densímetros en un baño termostático.
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Los certificados de calibración de los instrumentos de medición presentan los desvíos de indicación, o corrección, y la incertidumbre de medición. La incertidumbre de medición es un parámetro asociado con el resultado de medición. Es, claramente la mejor medida de la calidad de la misma, como también del proceso de calibración; que caracteriza, (entre otros fenómenos), a la dispersión de los valores medidos, que afectaría al mensurando. La incertidumbre es la medida del entorno de indefinición del mensurando. Generalmente, se determina con un nivel de confianza del 95 %. Estos valores, desvíos e incertidumbre, son válidos al momento de la calibración y bajo las mismas condiciones de la misma. Verificación: La verificación de la conformidad de un instrumento de medición es un método de control establecido por metrología legal. Los instrumentos reglamentados están obligados a una aprobación de modelo bajo las directivas de la reglamentación vigente del país que se trate. Los resultados de la verificación son evaluados para asegurar los requerimientos legales. legales. Si el instrumento cumple con ello, una marca se fija sobre el mismo y se emite un certificado de verificación. Conclusión: La verificación ofrece la seguridad de cumplimiento con reglamentaciones y especificaciones especificaciones establecidas como así también de una correcta medida en
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instrumentos de medición, especialmente en aquellos que requieren requ ieren de verificación y aprobación de modelo. En general, cuando las mediciones del usuario están sólo afectadas por los EMP en servicio, (por ser, en principio, las incertidumbres de medición de uno o más órdenes inferiores a estos últimos) La calibración es una acción estrictamente vinculada con las características metrológicas del instrumento. Permite asegurar la calidad de medición del mismo dentro de los márgenes de incertidumbre establecidos, por lo que, es considerada un procedimiento básico por la actividad de la metrología legal y también, fundamental dentro de las aplicaciones de metrología científica y metrología industrial. El cuadro siguiente muestra la comparación de objetivos y acciones entre calibración y verificación:
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