METROLOGÍA EN LONGITUD Realizado por: Elisa Santalla Maydana
[email protected] www.ibmetro.gob.bo Fecha: 2014-10-25
TEMARIO Introducción
Conceptos básicos de metrología metrología Sistema Internacional Internacional de Unidades (SI) Manejo y uso de Pie de rey Ejercicios de lectura de pie rey Manejo y uso de Micrómetros Micrómetros Ejercicios de lectura de micrómetro micrómetro Calibración de Pie de rey – Errores y Tolerancias Calibración de micrómetros micrómetros – Errores y Tolerancias
INTRODUCCIÓN METROLOGÍA DIMENSIONAL. es la ciencia aplicada que se encarga de estudiar las técnicas de medición que determinan correctamente las magnitudes lineales y angulares (longitudes y ángulos). La medición se puede dividir en: Directa:
cuando el valor de la medida se obtiene directamente de los trazos o divisiones de los instrumentos Indirecta: cuando para obtener el valor de la medida necesitamos compararla compararla con una valor de referencia.
INTRODUCCIÓN Clasificación de instrumentos y aparatos de medición en metrología dimensional : Con trazos o divisiones Medida directa
Con tornillo micrométrico Con dimensión fija
Lineal Comparativa Medida indirecta Trigonométrica Relativa
Metro Regla graduada Todo tipo de calibradores y medidores de altura con escala vernier Todo tipo de micrómetros Cabezas micrométricas Bloques patrón Calibradores de espesores Calibradores límite (pasa- no pasa) Comparadores mecánicos Comparadores ópticos Comparadores neumáticos Comparadores electromecánicos Máquina de medición de redondez Medidores de espesor de recubrimiento Esferas o cilindros Máquinas de medición por coordenadas Niveles Reglas ópticas Rugosímetros
INTRODUCCIÓN Clasificación de instrumentos y aparatos de medición en metrología dimensional :
Medida directa Angular Medida indirecta
Transportador simple Goniómetro Escuadra de combinación Escuadras Con dimensión Patrones angulares fija Calibres cónicos Falsas escuadras Reglas de senos Trigonométrica Mesa de senos Máquinas de medición por coordenadas Con trazos o divisiones
INTRODUCCIÓN Instrumentos primitivos de medición.
INTRODUCCIÓN Definición del Metro Definición
Precisión de la realización del metro
1791 Con base en la longitud de la cuarta parte del meridiano de la Tierra
+ 0,06 mm
1889 Prototipo internacional de Metro
+ 0,002 mm
1960 Primera cuántica de longitud estándar 1983 Velocidad de la luz Hoy Velocidad de la luz, con la mejora de la precisión de He-Ne
+ 0,000 007 mm + 0,000 000 7 mm + 0,000 000 02 mm
INTRODUCCIÓN Espectro de longitud
INTRODUCCIÓN CRITERIOS PARA LA NECESIDAD DE INSTRUMENTOS Y EQUIPOS DE MEDICIÓN
CONTROL
DE
LOS
1. Aspecto calidad Controlar y vigilar instrumentos y sistemas de medición para demostrar la conformidad del producto con especificaciones. 2. Proceso (aspecto uniformidad del producto) Instrumentos y equipos de medición que controlan parámetros críticos del proceso. Ej. en el proceso de combustión: • Analizadores •
de gas
Medidores de temperatura
INTRODUCCIÓN CRITERIOS PARA LA NECESIDAD DE CONTROL DE LOS INSTRUMENTOS Y EQUIPOS DE MEDICIÓN 3. Economía (aspecto costo, $$$) Instrumentos y equipos de medición que miden insumos costosos. Ej. • Materias primas • Consumo de energía, combustible, etc. • Productos terminados los cuales se venden por peso 4. Protección (aspecto seguridad) Instrumentos y equipos de medición que sirven para proteger el personal y equipos. Ej. Manómetros y válvulas de seguridad para calderas. •
INTRODUCCIÓN CRITERIOS PARA LA NECESIDAD DE INSTRUMENTOS Y EQUIPOS DE MEDICIÓN
CONTROL
DE
LOS
5. Medio ambiente (aspecto conservación) Instrumentos y equipos de medición que sirven para medir parámetros del medio ambiente. Ej. Analizadores de emisión de gases, pH-metros, etc.
INTRODUCCIÓN SERVICIOS DE CALIBRACIÓN - LABORATORIO DE DIMENSIONAL
INTRODUCCIÓN SERVICIOS DE CALIBRACIÓN - LABORATORIO DE DIMENSIONAL
INTRODUCCIÓN SERVICIOS DE CALIBRACIÓN - LABORATORIO DE DIMENSIONAL
INTRODUCCIÓN SERVICIOS DE CALIBRACIÓN - LABORATORIO DE DIMENSIONAL
INTRODUCCIÓN SERVICIOS DE CALIBRACIÓN - LABORATORIO DE DIMENSIONAL
INTRODUCCIÓN SERVICIOS DE CALIBRACIÓN - LABORATORIO DE DIMENSIONAL
INTRODUCCIÓN SERVICIOS DE CALIBRACIÓN - LABORATORIO DE DIMENSIONAL
INTRODUCCIÓN SERVICIOS DE CALIBRACIÓN - LABORATORIO DE DIMENSIONAL
CONCEPTOS BÁSICOS DE METROLOGÍA MAGNITUD: propiedad de un fenómeno, cuerpo o sustancia, que MAGNITUD: propiedad puede expresarse cuantitativamente mediante un número y una referencia (unidad de medida) SÍMBOLO DE UNA UNIDAD: Sí Símbolo desi sig gnado en forma convencional para una unidad de medida. SISTEM SIST EMA A IN INTE TERN RNAC ACIO IONA NALL DE UN UNID IDAD ADES ES (S (SI) I):: Es Es el siste tem ma de unidades adoptado y recomendado por la Conferencia General de Pesas y Medidas. MEDICIÓN: proceso que consiste en obtener experimentalmente MEDICIÓN: uno o varios valores que pueden atribuirse razonablemente a una magnitud.
CONCEPTOS BÁSICOS DE METROLOGÍA METROLOGÍA: ciencia de las mediciones y sus aplicaciones. NOTA La metrología incluye todos los aspectos teóricos y prácticos de las mediciones, cualesquiera que sean su incertidumbre de medida y su campo de aplicación. PROCEDIMIENTO DE MEDIDA: descripción detallada de una medición conforme a uno o más principios de medida y a un método de medida dado, basado en un modelo de medida y que incluye los cálculos necesarios para obtener un resultado de medida MENSURANDO: magnitud que se desea medir RESULTADO DE MEDIDA: conjunto de valores de una magnitud atribuidos a un mensurando, acompañados de cualquier otra información relevante disponible
CONCEPTOS BÁSICOS DE METROLOGÍA EXACTITUD DE MEDIDA: proximidad entre un valor medido y un valor verdadero de un mensurando INCERTIDUMBRE DE MEDICIÓN: parámetro no negativo que caracteriza la dispersión de los valores atribuidos a un mensurando, a partir de la información que se utiliza. ERROR: diferencia entre un valor medido de una magnitud y un valor de referencia CORRECCIÓN: compensación de un efecto sistemático estimado
CONCEPTOS BÁSICOS DE METROLOGÍA TRAZABILIDAD: Propiedad del resultado de una medición, por la cual un patrón puede ser relacionado a referencias determinadas, generalmente patrones nacionales o internacionales, por medio de una cadena ininterrumpida de comparaciones teniendo todas, incertidumbres determinadas. DIVISIÓN DE LA ESCALA: parte de una escala comprendida entre dos marcas sucesivas de escala. RESOLUCIÓN (DE UN DISPOSITIVO INDICADOR): menor diferencia entre indicaciones de un dispositivo indicador que puede ser distinguido significativamente. INSTRUMENTO DE MEDICIÓN: Dispositivo destinado a ser utilizado para hacer mediciones solo o en conjunto con dispositivos complementarios. Ej. regla, cinta métrica, termómetro, balanza.
ESQUEMA DE TRAZABILIDAD Unidades del SI Patrones internacionales d u t i t c a x E
Patrones nacionales Laboratorios de calibración Patrones de trabajo Instrumentos en Procesos
s a i c n a r e l o T
CONCEPTOS BÁSICOS DE METROLOGÍA SISTEMA DE MEDICIÓN: conjunto de uno o más instrumentos de medida y, frecuentemente, otros dispositivos, incluyendo reactivos e insumos varios, ensamblados y adaptados para proporcionar información utilizada para obtener valores medidos dentro de intervalos especificados, para magnitudes de naturalezas dadas Ej. aparatos usados en magnitudes eléctricas. CARACTERÍSTICAS DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN: Existen instrumentos de medición analógicos y digitales, dependiendo de la señal de salida. Longitud
de la escala (longitud entre la primera y la última marca) Alcance de indicación (valores limitados por las indicaciones extremas) División de escala (parte de la escala comprendida entre dos marcas sucesivas)
CONCEPTOS BÁSICOS DE METROLOGÍA CALIBRACIÓN operación que bajo condiciones especificadas establece, en una primera etapa, una relación entre los valores y sus incertidumbres de medida asociadas obtenidas a partir de los patrones de medida, y las correspondientes indicaciones con sus incertidumbres asociadas y, en una segunda etapa, utiliza esta información para establecer una relación que permita obtener un resultado de medida a partir de una indicación AJUSTE Operación destinada a poner un instrumento de medición en estado de funcionamiento adecuado para su uso. Nota: El ajuste puede ser automático, semiautomático o manual.
CONCEPTOS BÁSICOS DE METROLOGÍA
PATRÓN DE CALIBRACIÓN
INSTRUMENTO, SISTEMA DE MEDICIÓN
MÉTODO DE CALIBRACIÓN NORMA NB 23001
RESULTADO: ERROR E INCERTIDUMBRE
CERTIFICADO DE CALIBRACIÓN
SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) La unidad de la magnitud de longitud, es el metro (m),una de las siete unidades base del Sistema Internacional de Unidades (SI). UNIDADES DE BASE MAGNITUD
Longitud Masa Tiempo Corriente eléctrica Temperatura Cantidad de sustancia Intensidad luminosa
UNIDAD DE BASE
SÍMBOLO
metro kilogramo segundo ampere kelvin mol candela
m kg s A K mol cd
SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI)
Uso general
1 metro = 1 m
0,1 m 0,01 m Uso 1 milímetro = 1 mm = 0,001 m industrial 0,0001 m = 0,1 mm 0,00001 m = 0,01 mm 1 micrómetro = 1 µm = 0,000001 m = 0,001 mm Uso en 0,0000001 m = 0,0001 mm = 0,1 µm laboratori 0,00000001 m = 0,00001 mm = 0,01 µm os de calibració n Uso en 1 nanómetro = 1 nm = 0,000000001 m = 0,000001 mm = 0,001 µm laboratori os con patrones primarios
SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) Recomendaciones y reglas para su correcto empleo La
adopción de los dos símbolos l y L, para ser usados con el litro, considerando el riesgo de confusión entre la letra l con el número CORRECTO 55 l ; 11 L
INCORRECTO 11 l
Los símbolos de las unidades son inalterables en el plural CORRECTO INCORRECTO 5m 2s
5 mts 2 segs
SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) La
sustitución de una mayúscula por una minúscula no se la debe realizar, porque puede alterar el significado CORRECTO 5 km
INCORRECTO 5 Km ------- 5 Kelvin metro
Los valores numéricos serán expresados, cuando así correspondan, en decimales y nunca en fracciones. El decimal será precedido de un cero cuando el número sea menor que la unidad. CORRECTO 0,5 m
INCORRECTO 1/2 m
PRINCIPIOS GENERALES DE MEDICIÓN Error (de medición) Resultado de un mensurando menos un valor verdadero del mensurando. E = I - VCV Observaciones: Como el valor verdadero no puede ser determinado, en la práctica se utiliza un valor convencionalmente verdadero.
Error relativo Error de medición dividido por un valor verdadero del mensurando Er = E/VCV
PRINCIPIOS GENERALES DE MEDICIÓN Corrección Valor agregado algebraicamente al resultado no corregido de una medición, para compensar el error aleatorio. C = - Es Resultado de una medición Valor atribuido a un mensurando, obtenido por medición RM = VM + C ± Ir Errores máximos permitidos Valores extremos de un error permitido por especificaciones, regulaciones, etc., para un instrumento de medición dado.
MANEJO Y USO DE PIE DE REY Los pie de rey o llamados también vernier o calibrador pertenecen al grupo de instrumentos de medición más utilizados en la industria, debido a su construcción y su manejo sencillo. Con ellos se pueden medir: * Dimensiones y diámetros externos * Dimensiones y diámetros internos * Profundidades
MANEJO Y USO DE PIE DE REY Indicación: * Análoga * Digital * Circular Norma: DIN 862
MANEJO Y USO DE PIE DE REY NONIO O DIVISIÓN DE ESCALA Para obtener una lectura en el pie de rey análogo se utiliza una escala o regla principal y una escala auxiliar (nonio). Se utilizan tres diferentes tipos de nonio de acuerdo con su diseño para diferentes resoluciones o divisiones de escala, según la siguiente tabla: N°
Valor del nonio
1
1 ∕10 mm = 0,100 mm = 100 µm
2
1 ∕ 20 mm = 0,050 mm = 50 µm
3
1 ∕ 50 mm = 0,020 mm = 20 µm
MANEJO Y USO DE PIE DE REY Recomendaciones de uso
Antes de usarlo elimine cualquier clase de polvo de la pieza a medir
Nunca trate de medir una pieza en movimiento
Al medir mueva lentamente el cursor mientras presiona con suavidad del botón para el pulgar contra el brazo principal
No use fuerza excesiva en la medición
Elimine cualquier clase de polvo del pie de rey antes de usarlo
MANEJO Y USO DE PIE DE REY Recomendaciones de uso
Limpie totalmente las superficies deslizantes y las caras de contacto No exponga al pie de rey directamente a la luz del sol
No dañe las puntas de medición para interiores No deje el pie de rey sobre superficies que por temperatura afecten el instrumento
No use las puntas como rayador o compás
Después de usarlo, limpie las manchas y huellas digitales
MANEJO Y USO DE PIE DE REY Cuidados al almacenar el pie de rey Guárdelo en ambiente de baja humedad y libre de polvo. No lo deje en el suelo Deje las caras de medición separadas de 0,2 mm a 2 mm Guárdelo siempre en estuche Si se trata de pie de rey de uso de poco frecuente aplique antioxidante al cursor y caras de medición. Evite la entrada de vapores de productos químicos.
MANEJO Y USO DE PIE DE REY Lectura de un pie de rey en el Sistema Internacional Paso 1: En la escala fija o principal del pie de rey, la lectura se toma, siempre antes de cero del instrumento y corresponderá a la lectura en mm. Paso 2: En seguida se deben contar el número de líneas o divisiones en la escala móvil, hasta donde una de ellas coincida o este alineada con una línea de la escala fija. Paso 3: Después se suman los números obtenidos en la escala fija y en la escala móvil.
MANEJO Y USO DE PIE DE REY Lectura de un pie de rey en el Sistema Internacional
MANEJO Y USO DE PIE DE REY Lectura de un pie de rey en el Sistema Internacional
MANEJO Y USO DE PIE DE REY Lectura de un pie de rey en el Sistema Internacional
EJERCICIOS DE LECTURA DE PIE DE REY
EJERCICIOS DE LECTURA DE PIE DE REY
EJERCICIOS DE LECTURA DE PIE DE REY
MANEJO Y USO DE MICRÓMETRO Al igual que los pie de rey pertenece al grupo de instrumentos de medición más utilizados en la industria. La principal diferencia respecto al pie de rey es su mayor exactitud. Con ellos se pueden medir: * Dimensiones y diámetros externos * Dimensiones y diámetros internos
MANEJO Y USO DE MICRÓMETRO Indicación: Análoga
d = 0,01 mm = 10 µm
Digital
d = 0,001 mm = 1 µm
Norma: DIN 863 Parte 1
MANEJO Y USO DE MICRÓMETRO Recomendaciones de uso
Elimine completamente polvo y aceite de las superficies de medición (husillo y caras de medición)
Verifique que el tambor gire suavemente
Cuando realice mediciones verifique el punto cero periódicamente para confirmar que no haya discrepancia
Ajuste el punto cero
Nunca mida una pieza que este en movimiento
MANEJO Y USO DE MICRÓMETRO Cuidados al almacenar el micrómetro Guárdelo en un ambiente bien ventilado y de baja humedad No lo deje en el suelo Deje las caras de medición separadas de 0,1 mm a 1 mm Guárdelo siempre en estuche Cuando almacene el instrumento aplique antioxidante caras de medición. Evite la entrada de vapores de productos químicos.
MANEJO Y USO DE MICRÓMETRO Lectura de un micrómetro en el Sistema Internacional
Para lecturas en centésimas de milímetro primero tome la lectura del cilindro (obsérvese que cada graduación corresponde a 0,5 mm ) y luego la del tambor, sume las dos para obtener la lectura total.
MANEJO Y USO DE MICRÓMETRO Lectura de un micrómetro en el Sistema Internacional
LECTURA
22,00 mm
Escala fija
0,06 mm
Escala móvil
22,06 mm
Lectura final
MANEJO Y USO DE MICRÓMETRO Lectura de un micrómetro en el Sistema Internacional
LECTURA
10,50 mm
Escala fija
0,13 mm
Escala móvil
10,63 mm
Lectura final
MANEJO Y USO DE MICRÓMETRO Lectura de un micrómetro en el Sistema Internacional
LECTURA
20,00 mm
Escala fija
0,15 mm
Escala móvil
20,15 mm
Lectura final
EJERCICIOS DE LECTURA DE MICRÓMETRO
Lectura: _______ mm
Lectura: _______ mm
EJERCICIOS DE LECTURA DE MICRÓMETRO
Lectura: _______ mm
Lectura: _______ mm
EJERCICIOS DE LECTURA DE MICRÓMETRO
Lectura: _______ mm
CALIBRACIÓN DE PIE DE REY – ERRORES Y TOLERANCIAS Instrumentos y equipos de medición Juego de bloques calibre Anillos patrón Preparación para la calibración Limpieza del instrumento a calibrar, empleando alcohol con la ayuda de un paño suave Inspección visual de daños y corrosión, principalmente de las superficies de medición. Aclimatar el instrumento y los bloques calibre por lo menos por 4 horas Condiciones ambientales: Temperatura ambiente : 20 °C ± 1 °C Humedad relativa del aire : 30 % – 60 %
CALIBRACIÓN DE PIE DE REY – ERRORES Y TOLERANCIAS PROCESO DE CALIBRACIÓN Utilizando guantes en las manos , colocar el bloque o anillo entre las superficies de medición del pie de rey Acercar cuidadosamente las superficies de medición del pie de rey al centro de las caras de medición del bloque o anillo, hasta que hagan contacto Tomar la lectura y registrar las mediciones
Para cada valor nominal, tomar al menos 5 lecturas Determinar el error de indicación de cada Repetir el procedimiento hasta obtener lectura la indicación una serie(diferencia de cuatro entre mediciones (desdeyelel valor nominal del bloque calibre) ajuste del menisco)
CALIBRACIÓN DE PIE DE REY – ERRORES Y TOLERANCIAS PATRONES UTILIZADOS Para la calibración de mediciones exteriores - Juego de Bloques calibre con grado de exactitud 2. Para la calibración de mediciones interiores – Anillos patrón Puntos de calibración mm 0,0 30,0 41,3 131,4 243,5 281,2 481,1 550,0 700,0 900,0
Alcance del pie de rey en mm, hasta: 200 X X X X
300 X X X X
400 X X X X X X
500 X X X X X X
600 X
750 X
1000 X
X X X X X
X X X X
X X X X
X X
CALIBRACIÓN DE PIE DE REY – ERRORES Y TOLERANCIAS LÍMITES DE ERROR: Según DIN 862
Longitud a medir " l" mm
Límites de error G en µm Valor de división de e scala o valor del Resolución digital nonio 0,1 mm y 0,05 mm 0,02 mm 0,01 mm
50 100 200
± 20
± 20
± 30
± 30
± 40
± 40
± 50
300 400
± 60
500
± 70
600
± 80
700
± 90
800
± 100
900
± 110
1000
± 120
CALIBRACIÓN DE MICRÓMETRO DE EXTERIORES – ERRORES Y TOLERANCIAS Instrumentos y equipos de medición Juego de bloques calibre Preparación para la calibración Limpieza del instrumento a calibrar, empleando alcohol con la ayuda de un paño suave Inspección visual de daños y corrosión, principalmente de las superficies de medición. Aclimatar el instrumento y los bloques calibre por lo menos por 4 horas Condiciones ambientales: Temperatura ambiente : 20 °C ± 5 °C Humedad relativa del aire : 35 % – 60 %
CALIBRACIÓN DE MICRÓMETRO DE EXTERIORES – ERRORES Y TOLERANCIAS PROCESO DE CALIBRACIÓN Fijar el micrómetro en un soporte, verificar que al cerrar completamente las superficies de medición, coincidan las líneas de indicación del tambor y el eje graduado. Con guantes, colocar el bloque calibre entre las superficies de medición del micrómetro.
Tomar la lectura y registrar las mediciones
Para cada valor nominal, tomar al menos 5 lecturas Determinar el error de indicación de cada Repetir el procedimiento hasta obtener lectura la indicación una serie(diferencia de cuatro entre mediciones (desdeyelel valor nominal del bloque calibre) ajuste del menisco)
CALIBRACIÓN DE MICRÓMETRO DE EXTERIORES – ERRORES Y TOLERANCIAS PATRONES UTILIZADOS Juego de Bloques calibre de 10 piezas con grado de exactitud 1. Con valores nominales como sigue:
CALIBRACIÓN DE MICRÓMETRO DE EXTERIORES – ERRORES Y TOLERANCIAS LÍMITES DE ERROR: Según DIN 863 parte 1
Alcance de medición
Error de la indicación fmax
mm
μm
0 hasta 25
4
25 hasta 50
4
50 hasta 75
5
75 hasta 100
5
100 hasta 125
6
125 hasta 150
6
150 hasta 175
7
175 hasta 200
7
Extraído de la Norma DIN 863
CALIBRACIÓN DE MICRÓMETRO DE EXTERIORES – ERRORES Y TOLERANCIAS El error esta dado por la siguiente expresión:
Error Valor calibrando Valor pa trón Error pa trón Coeficiente de dilatación térmica, para el acero
11,5 10
6
1
K
1
t
CERTIFICADOS DE CALIBRACIÓN E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Valor nominal Indicación mm promedio mm
Error µm
Error máximo permitido µm
30 41,3 131,4
Medición de exteriores 30,00 0 41,35 50 131,40 0
± 50 ± 50 ± 50
15,00 30,00
Medición de interiores 15,00 0 30,00 0
± 50 ± 50
Valor nominal: Representa el valor nominal del bloque patrón seleccionado Indicación promedio: Representa el valor promedio de una serie de mediciones resultado de la calibración.
Error : Diferencia entre la indicación promedio y el valor nominal. Con esta información se establece que el instrumento calibrado para una longitud de 41,3 mm tiene un E = + 0,05 mm El uso de estos resultados de calibración nos indica que la corrección es C= - 0,05 mm para un valor nominal de 41,3 mm
CERTIFICADOS DE CALIBRACIÓN E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Valor nominal Indicación mm promedio mm
Error µm
Error máximo permitido µm
30 41,3 131,4
Medición de exteriores 30,00 0 41,35 50 131,40 0
± 50 ± 50 ± 50
15,00 30,00
Medición de interiores 15,00 0 30,00 0
± 50 ± 50
U=±5
m
La incertidumbre mostrada en los resultados refleja que los resultados que se pueden obtener con el instrumento estarán en el rango de 41,30 mm y 41,40 mm Finalmente podemos concluir, que teniendo la incertidumbre expandida una cobertura del 95 % con un factor de k=2 De 100 lecturas del instrumento con el bloque patrón, 95 de estas lecturas tendrán un valor de 41,35 mm y las otras 5 lecturas seguirán siendo inciertas.
Información de contacto
Elisa Santalla Maydana Responsable de Laboratorio de Volumetría y Longitud
Instituto Boliviano de Metrología (IBMETRO) Av. Camacho 1488 | La Paz | Bolivia Tel. (+591-2) 2372046 / 2147945 Fax (+591-2) 2310037
[email protected]