La metrología de masas, es la parte de la ciencia metrológica que tiene que ver con todos los métodos y formas practicas por medio de los cuales se mide y obtiene un valor de masa y su correspondiente incertidumbre. La metrología de masas involucra: involucra:
Las unidades de medida de la masa Los patrones utilizados en la medición m edición de la masa (establecimiento, reproducción, conservación conser vación y diseminación) Las realización de la medición de la masa (métodos, ejecución del método, estimación de la exactitud) Los instrumentos de medición de la masa (propiedades y características) El realizador de la prueba pr ueba (capacidad, voluntad, interés, capacitación)
La magnitud que se mide es la masa, la cual es la medida de la cantidad de materia que en un cuerpo relaciona el efecto gravitacional que la tierra ejerce sobre este (peso) y la resistencia de este mismo cuerpo a ser acelerado (masa inercial). La unidad representativa de esta magnitud es el kilogramo y el símbolo correspondiente es kg El valor del kilogramo es igual a la masa del prototipo internacional fabricado en forma cilíndrica de 90% platino y 10% iridio, con dimensiones de 39 mm de alto y 39 mm de diámetro.
PESAS PATRON
El kilogramo, sus múltiplos y submúltiplos están representados como una serie de medidas materializadas conocidas como pesas, las cuales poseen características propias, particulares y normalizadas, tales como forma, dimensiones, tipo de material, rugosidad superficial, valor nominal y error máximo permitido, determinadas por convención (OIML R 111). De esta manera, el valor de masa de un kilogramo es una medida que depende de otra medida materializada (del Prototipo Internacional), cuyo valor es obtenido por la diseminación de éste último a través de una serie ininterrumpida de comparaciones hasta llegar a las pesas de trabajo, esto es conocido como trazabilidad.
El peso es la fuerza gravitacional con la que un cuerpo es atraído verticalmente hacia el centro de la Tierra. Esta fuerza neta produce una aceleración g (aceleración de la gravedad).Así, de la Segunda Ley de Newton, podemos encontrar la relación entre la masa y el peso de un cuerpo: W = m g W= Peso M = Masa g = Aceleración debida a la gravedad La masa de un cuerpo es constante y la aceleración de la gravedad varia con el lugar (9.78 en el ecuador, 9.806 a nivel del mar y 9.83 en los polos) y también con la altura. Otro factor que influye en la medición es la diferencia de empuje del aire sobre el cuerpo y sobre el peso del patrón.
Los instrumentos de pesaje modernos utilizan elementos electromecánicos para balancear esta fuerza, de acuerdo con las condiciones del medio y la fuerza de gravedad, para obtener el valor de masa y no el del peso. En las balanzas electrónicas y analógicas, la fuerza F es proporcional al desplazamiento del muelle o del brazo debajo de la plato de pesaje, y la escala de medición está calibrada para tener en cuenta g de forma que se pueda leer la masa m. En una balanza de resorte la gravedad afecta, en una de cruz se efectúa por comparación de masas conocidas(sometidas a igual g), en los demás tipos de basculas se ajustan con pesos patrón, así que las medidas son independientes de las variaciones de g.
Masa Convencional
La masa convencional, como resultado de pesar un cuerpo bajo condiciones ambientales normales de trabajo, es la forma de equilibrar la masa de dicho cuerpo, con respecto a la masa de una pesa patrón cuya masa a sido medida bajo condiciones ambientales ideales convencionalmente seleccionadas, 20º C de temperatura, una densidad del aire estándar de 1,2 kg/m3 y de densidad convencional de 8000 kg/m3. Considerando lo anterior es posible utilizar pesas cuya masa convencional a sido medida y calculada en otro país, ya que un correcto ajuste de los valores de calibración, bajo condiciones convencionales permite obtener un valor de masa convencional de acuerdo a las condiciones de trabajo en que se realiza la prueba.
En la industria interesa determinar el peso de las sustancias en las operaciones de inventario de materias primas, de productos finales, en la mezcla de ingredientes, etc. Existen varios métodos para medir el peso: 1. 2. 3. 4.
Comparación con otros pesos patrones (balanzas y basculas) Células de carga a base de galgas extensiometricas Células de carga hidráulicas Células de carga neumáticas
La comparación con otro pesos patrones la realizan las balanzas y las basculas.
Balanza Clásica
Constituida por una palanca de brazos iguales, llamada cruz, que se apoya en su centro y de cuyos extremos cuelgan los platillos que soportan los pesos. Mide de pocos gramos hasta 300 kg. Balanza de Roverbal
Es un paralelogramo articulado que puede oscilar alrededor del punto central del lado superior del paralelogramo, manteniéndose verticales las varillas laterales que soportan los platillos. Mide hasta 40 kg. Se emplea en operaciones de llenado o de comprobación de pesos de objetos terminados.
Bascula Clásica
Consiste esencialmente en una palanca apoyada en un punto de la que se cuelgan, en un extremo el peso a medir y en el otro que tiene la forma de un rectángulo, dos pesos móviles, uno para ajuste basto y otro para ajuste fino; un fiel indica cuando la bascula esta ajustada Bascula Automática
Consiste en una palanca en ángulo, apoyada en su centro, con un peso conocido en un extremo y el desconocido en el otro. Alcanza siempre una posición de equilibrio marcando directamente, es una escala graduada y se le puede adaptar fácilmente a una maquina impresora o transmisora de peso
Bascula Electromagnética
Utiliza un sensor deposición y una bobina de par montados en un servosistema que equilibra un peso patrón y el peso desconocido. La señal eléctrica de salida del controlador, que genera la corrección del desplazamiento provocado por el peso, crea un campo magnético en la bobina del electroimán que equilibra la atracción del imán permanente. El sistema permite, mediante un microprocesador, proporcionar una tara automática, unas rutinas estadísticas con calculo de la media y la desviación estándar de las pesadas y una compensación de la temperatura. La exactitud típica es de 1 mg en 500 gramos
Célula de carga a base de galgas extensiometricas
Célula que contiene una pieza de elasticidad conocida (tal como el acero de modulo de elasticidad 2.1 X 10 6 bar) capaz de soportar la carga sin exceder de su limite de elasticidad. A esta pieza se encuentra cementada una galga extensiometrica, que puede estar formada por varias espiras de hilo (0.025 mm) pegado a un soporte de papel o de resina sintética, o bien puede estar formada por bandas delgadas unidas con pegamento a la estructura sometida a carga. Se usan acondicionadores de señal que captan pequeños cambios y compensan los efectos de la temperatura, la adición de un microprocesador eleva la precisión.
Célula de carga a base de galgas extensiometricas de semiconductor
Cambia de resistencia con la tensión gracias a cambios en la estructura cristalina que varían la movilidad de los electrones. Se acondiciona la señal con la posibilidad de añadir un microprocesador. Las galgas de semiconductor poseen una sensibilidad muy superior a las de hilo debido a que el fenómeno de variación de resistencia por la deformación se le une un efecto piezoeléctrico sin embargo este fenómeno tiene una gran dependencia de la temperatura y obliga a compensar los resultados térmicamente lo cual dificulta la calibración.
Célula de carga a base de galgas extensiometricas
Todo material al que se le aplica un esfuerzo se deformará en mayor o menor grado, y llegará a un punto en que se romperá. Esta relación esfuerzo vs deformación se muestra en la siguiente gráfica
Célula de carga a base de galgas extensiometricas En los instrumentos de pesaje se aplica las Normas Metrológicas de la OIML (Organización Internacional de Metrología Legal) que clasifican los aparatos en 4 categorías:
Precisión Especial Clase I 1mg-30 kg Precisión fina Clase II Máximo 3000 kg Precisión Media Clase III Maximo 150000 Precisión OrdinariaClase IVMaximo 150000 El microprocesador aporta compensación de temperatura al realizar medidas promedio e ignorar los cambio de señal de las células debido a las variaciones de temperatura. Las células están protegidas contra la humedad y el polvo tienen una precisión de ± 0.2 % admiten indicación a distancia y pueden medir pesos de 20 kg a mas de 150 Tm. Necesitan compensación de temperatura y son relativamente caras.
Célula de carga Hidráulica
Consiste en un pistón sobre el que se apoya la cargan que ejerce una presión sobre un fluido hidráulico. Según la carga, y de acuerdo con el área conocida del pistón, se crea una presión en el aceite que puede leerse en un manómetro de Bourdon y que por lo tanto, refleja indirectamente la carga. Sumando las presiones hidráulicas de varias células de carga y aplicándolas a un transmisor electrónico o digital se obtiene una señal que puede leerse en un indicador y utilizarse en sistemas de pesaje electrónicos.
Célula de carga Hidráulica
Se fabrican para unas capacidades de carga de 1200 Kg hasta 4500 Tm, son de respuesta rápida (menos de 2 segundos), su exactitud es del ±0.25%, admiten sobrecargas hasta del 40%, pueden fabricarse a prueba de explosión y son resistentes a vibraciones.
Célula de carga Neumática
Consiste en un transmisor neumático de carga de equilibrio de fuerzas, en el que el peso situado en la plataforma de carga se compara con el esfuerzo ejercido por un diafragma alimentado a una presión de tarado ajustable. El sistema adopta una posición de equilibrio gracias al conjunto toberaobturador y a la cámara de realimentación del transmisor. La presión del aire alcanzada en esta cámara indica el peso.
Célula de carga Neumática
La capacidad de carga de estas varian de 10 Kg a10 Tm, posee una exactitud del ± 0.2 % y se adaptan fácilmente al control neumático. Tienen la ventaja de ser insensibles a los cambios de temperatura, ser higiénicas y aprueba de explosión, con el inconveniente de precisar aire comprimido de instrumentos (limpio y seco) o de nitrógeno y de ser de respuesta relativamente lenta.
Célula de carga Neumática SISTEMA
CAPACIDAD
EXACTITUD
Balanza
Gramos a 300 Kg
± 0.002% a ±0.05%
Simple, exacta, barata
Respuesta lenta, corrosión local
Bascula
Gramos a toneladas
± 0.1%
Simple, exacta, barata
Respuesta lenta, corrosión local
20 Kg a 150 Tm
± 0.03% a ±0.25%
Instalación simple, indicación a distancia, protegida contra la corrosión
Caras, compensación de temperatura
1200 Kg a 4500 Tm
±0.25%
Instalación simple, resistente a vibraciones, admite 40% de sobrecarga, a prueba de explosión, indicación a distancia, respuesta rápida
Caras, transmisor electrónico para sumar señales de varias células, calibración frecuente
10 Kg a 10 Tm
± 0.2%
Se adapta bien a control neumático, indicación a distancia
Aire instrumentos, calibración frecuente, respuesta lenta
Galga extensiometrica
Célula hidráulica
Célula neumática
VENTAJAS
DESVENTAJAS
