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Ing. Gabriel Molina Castro Metrología Química – LACOMET

([email protected])

Introducción a la metrología: Historia y conceptos básicos

¿Qué es metrología?

• Metrología se define como la ciencia de las mediciones, los métodos y los medios de medición (instrumentos), que garantizan la uniformidad y exactitud requeridas de las mediciones.

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Importancia de la metrología

• Obtener mediciones exactas y confiables es un requisito fundamental para toda empresa que desee estar entre las más competitivas.

• Base de los conocimientos científicos, del desarrollo de la tecnología, la automatización de la industria y la normalización.

• Necesaria en procesos de producción, investigación científica, en el transporte y la comunicación.

• Protege la salud y la seguridad del ciudadano, así como los intereses del consumidor y del país.

Lo que no se mide, no se conoce. Lo que no se conoce, no se puede mejorar.

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Tipos de metrología

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Científica Desarrollo de patrones e

instrumentos de medición

Legal

Actividades para las que se prescriben requisitos

legales sobre metrología

Industrial Competitividad industrial a través de la mejora de

las mediciones

Tipos de metrología

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• Campos técnicos de la metrología científica

- Longitud.

- Masa y magnitudes relacionadas.

- Termometría.

- Electricidad y magnetismo.

- Acústica, ultrasonido y vibración.

- Química.

- Tiempo y frecuencia.

- Radiaciones ionizantes y radiactividad.

- Fotometría y radiometría.

Historia de la metrología

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Con el progreso de la agricultura y el comercio entre los pueblos, fue preciso definir magnitudes con la mayor exactitud y universalidad posibles y establecer metodologías para poder medirlas de forma confiable. Así, se desarrollaron mecanismos para registrar longitudes, áreas, volúmenes y masas.

Con el transcurso de la historia, se generaron distintos sistemas de medición con sus propios patrones, los cuales se fueron definiendo de forma más exacta con el fin de evitar la imprecisión asociada a estas medidas.

Historia de la metrología

7

1983

1971

1960

1956

1889

1875

1799

1790

Academia de Ciencias de París

inicia creación de un sistema de medidas.

Adopción universal de este sistema con la firma del Tratado

del Metro.

Sistema Internacional de Unidades (SI) con 6 de las magnitudes base

actuales.

Se incorpora la magnitud “cantidad de sustancia” al SI

(mol)

Establecimiento del Sistema Métrico

Decimal y sus primeros patrones.

Nuevos prototipos internacionales del

metro y el kilogramo. Segundo como unidad

de tiempo.

De terminan de establecer las

características del nuevo SI.

Redefinición del metro

Estructura metrológica mundial

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Convención del Metro

CGPM

CIPM

BIPM

OMR

Comités Consultivos

Departamentos Científicos

Estructura metrológica mundial

9

Estructura metrológica americana (SIM)

10

Sistema Nacional para la Calidad

11

Establecido y reconocido internacionalmente. CONAC

ECA

LACOMET

INTECO

ORT

Conceptos básicos de metrología: Sistema Internacional de Unidades (SI)

El Sistema Internacional de Unidades (SI) CEM (2006). 2da edición en español

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Sistema Internacional de Unidades (SI)

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• ¿Qué es el SI?

Es un sistema de unidades basado en el Sistema Internacional de Magnitudes, con nombres y símbolos de las unidades, y con una serie de prefijos con sus nombres y símbolos, así como reglas para su utilización.

• Enfoque del SI

Establecer un sistema de unidades aceptado a nivel internacional, simplificando su uso práctico y brindando las definiciones de todas las unidades respectivas y las reglas correspondientes para su implementación.


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• Inicios

Sociedades desarrollaron sus primeros sistemas de medición basados en características corporales y derivaciones respecto al tiempo .

- Pulgada, pie, codo, cuarta, día.

A través de la historia se generaron distintos sistemas de medición con sus propios patrones, los cuales evolucionan con el desarrollo científico, tecnológico y comercial.


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• Magnitud

Propiedad de un fenómeno, cuerpo o sustancia, que puede expresarse cuantitativamente mediante un número y una referencia.

• Sistema de magnitudes

Conjunto de magnitudes relacionadas entre sí mediante ecuaciones no contradictorias.

• Sistema Internacional de Magnitudes (ISQ)

Sistema de magnitudes basado en las siete magnitudes básicas: longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura termodinámica, cantidad de sustancia e intensidad luminosa.


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• Unidad de medida

Magnitud escalar real, definida y adoptada por convenio, con la que se puede comparar cualquier otra magnitud de la misma naturaleza para expresar la relación entre ambas mediante un número.

• Número

Cociente entre el valor de la magnitud considerada y la unidad de medida.


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• Expresión completa de una magnitud

Símbolo de la

magnitud

Valor

numérico

Símbolo de la

unidad

Valor de la

magnitud

Dimensión de la

magnitud


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• Unidades básicas de medida

- Unidad de medida adoptada por convenio para una magnitud base.

- Independientes por convención.

Magnitud básica Dimensión Unidad básica

Longitud L m

Masa M kg

Tiempo T s

Corriente eléctrica I A

Temperatura termodinámica Θ K

Cantidad de sustancia N mol

Intensidad luminosa J cd


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• Unidad de longitud

- Nombre: metro

- Símbolo: m

- Definición: El metro es la longitud del trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo.


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• Unidad de masa

- Nombre: kilogramo

- Símbolo: kg

- Definición: El kilogramo es la unidad de masa; es igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo.


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• Unidad de tiempo

- Nombre: segundo

- Símbolo: s

- Definición: El segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133 (en reposo, a una temperatura termodinámica de 0 K).


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• Unidad de intensidad de corriente

- Nombre: ampère

- Símbolo: A

- Definición: El ampère es la intensidad de una corriente constante que, en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno del otro, en el vacío, produciría entre estos conductores una fuerza igual a 2 · 10-7 N/m.


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• Unidad de temperatura termodinámica

- Nombre: kelvin

- Símbolo: K

- Definición: El kelvin, unidad de temperatura termodinámica, es la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.


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• Unidad de cantidad de sustancia

- Nombre: mol

- Símbolo: mol

- Definición: El mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kg de carbono 12; deben especificarse las entidades elementales (átomos, moléculas, iones, electrones, u otras partículas).


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• Unidad de intensidad luminosa

- Nombre: candela

- Símbolo: cd

- Definición: La candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 · 1012 Hz y cuya intensidad energética en dicha dirección de 1/683 W/sr.


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• Unidades derivadas de medida

- Se forman a partir de productos de potencias de las unidades básicas.

- Relacionadas a una magnitud derivada.

Magnitud derivada Nombre de unidad Símbolo de unidad

Área metro cuadrado m2

Densidad kilogramo por metro

cúbico kg m-3

Campo magnético ampère por metro A m-1

Iluminancia candela por metro

cuadrado cd m-2


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• Unidades derivadas especiales

- Nombres y símbolos son una forma compacta de expresar combinaciones de unidades básicas de uso frecuente.

Magnitud derivada Nombre de unidad Símbolo de unidad

trabajo joule J

fuerza newton N

presión pascal Pa

capacidad eléctrica faraday F

tensión superficial newton por metro N m-1

entropía molar joule por mol y kelvin J mol-1 K-1


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• Múltiplos y submúltiplos

- Los múltiplos y los submúltiplos del SI se forman mediante factores de numéricos decimales.

- Los nombres de los múltiplos y submúltiplos del SI son formados por prefijos que designan a los factores numéricos decimales.


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• Múltiplos y submúltiplos

Factor Nombre Símbolo Factor Nombre Símbolo

101 deca da 10-1 deci d

102 hecto h 10-2 centi c

103 kilo k 10-3 mili m

106 mega M 10-6 micro μ

109 giga G 10-9 nano n

1012 tera T 10-12 pico p

1015 peta P 10-15 femto f

1018 exa E 10-18 atto a

1021 zetta Z 10-21 zepto z

1024 yotta Y 10-24 yocto y


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• Unidades fuera del SI

Magnitud derivada

Nombre de unidad(es)

Símbolo de unidad(es)

tiempo minuto; hora; día min; h; d

área hectárea ha

masa tonelada; dalton t; Da

presión bar; milímetro de Hg bar; mmHg

longitud ångström; unidad astronómica Å; ua

energía ergio; electronvolt erg; eV

volumen litro L, l

velocidad nudo kn

viscosidad poise; stokes P; St

Conceptos básicos de metrología: Mediciones

Vocabulario Internacional de Metrología (VIM) CEM (2012). 3era edición en español

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Vocabulario Internacional de Metrología

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• ¿Qué es el VIM?

Es un diccionario terminológico que contiene las denominaciones y definiciones que conciernen a la metrología, específicamente magnitudes, unidades, mediciones, incertidumbre, instrumentos de medida y patrones.

• Enfoque del VIM

Busca ser una referencia común para científicos, ingenieros, físicos, químicos, biólogos, así como para profesores, estudiantes y todo aquel, implicado con mediciones, cualquiera que sea el campo de aplicación y el nivel de incertidumbre de la medida.

Mediciones (VIM)

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• Magnitud

Propiedad de un fenómeno, cuerpo o sustancia, que puede expresarse cuantitativamente mediante un número y una referencia.

• Medición

Proceso que consiste en obtener experimentalmente uno o varios valores que pueden atribuirse razonablemente a una magnitud.

• Mensurando

Magnitud que se desea medir.

Mediciones (VIM)

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• Principio de medida

Fenómeno que sirve como base de una medición.

• 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 y que incluye los cálculos necesarios para obtener un resultado de medida.

• Método de medida

Descripción genérica de la secuencia lógica de operaciones utilizadas en una medición.

Mediciones (VIM)

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• Resultado de medida

Conjunto de valores de una magnitud atribuidos a un mensurando, acompañados de cualquier otra información relevante disponible.

- Indicación: Valor proporcionado por un instrumento de medida.

- Resultado no corregido: Resultado de medida antes de aplicar una corrección por error sistemático.

- Resultado corregido: Resultado de medida después de aplicar una corrección por error sistemático.

Mediciones (VIM)

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• Corrección

Compensación de un efecto sistemático estimado.

• Error de medida

Diferencia entre un valor medido de una magnitud y un valor de referencia.

• Incertidumbre de medida

Parámetro no negativo que caracteriza la dispersión de los valores atribuidos al mensurando, a partir de la información que se utiliza.

Mediciones (VIM)

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• Exactitud

Proximidad entre un valor medido y un valor verdadero de un mensurando.

• Veracidad

Proximidad entre la media de un número infinito de valores medidos repetidos y un valor de referencia.

• Precisión

Proximidad entre las indicaciones o los valores medidos obtenidos en mediciones repetidas de un mismo objeto, o de objetos similares, bajo condiciones especificadas.

Mediciones (VIM)

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Muy Preciso Poco Veraz

Poco Preciso Poco Veraz

Muy Preciso Muy Veraz

Poco Preciso Muy Veraz

Mala Exactitud

Buena Exactitud

Conceptos básicos de metrología: Instrumentos de medida


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Instrumentos de medida (VIM)

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• Instrumento de medida

dispositivo utilizado para realizar mediciones, solo o asociado a uno o varios dispositivos suplementarios.


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• Sistema de medida

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.


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• Escala

Parte de un instrumento que consiste en un conjunto ordenado de marcas, eventualmente acompañadas de números o valores de la magnitud.

• Indicación

Valor proporcionado por un instrumento o sistema de medida.

• Resolución

Mínima variación de la magnitud medida que da lugar a una variación perceptible de la indicación correspondiente.

Escala

Indicación: 0,0 bar

Resolución: 0,1 bar

Conceptos básicos de metrología: Patrones de medida


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Patrones de medida (VIM)

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• Patrón de medida

Realización de la definición de una magnitud dada, con un valor determinado y una incertidumbre de medida asociada, tomada como referencia.

- Patrones primarios

- Patrones secundarios

- Patrones de referencia

- Patrones de trabajo


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• Patrón primario

Patrón establecido mediante un procedimiento de medida primario o creado como un objeto, elegido por convenio.

El kilogramo prototipo

del BIPM

Celda de punto fijo

Patrón Temperatura

Definición del metro


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• Patrón secundario

Patrón establecido por medio de una calibración respecto a un patrón primario de una magnitud de la misma naturaleza.

Celda de punto fijo

(Patrón primario)

Termómetro de resistencia

calibrado con la celda

(Patrón secundario)


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• Patrón de referencia

Patrón designado para la calibración de otros patrones de magnitudes de la misma naturaleza en una organización o lugar dado.

Juego de bloques de referencia Juego de masas de referencia


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• Patrón de trabajo

Patrón utilizado habitualmente para calibrar o verificar instrumentos o sistemas de medida.

Juego de bloques de trabajo Juego de masas de trabajo


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• Material de referencia (MR)

Material suficientemente homogéneo y estable con respecto a propiedades especificadas, establecido como apto para su uso previsto en una medición o en un examen de propiedades cualitativas.


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• Materiales de referencia certificados (MRC)

Material de referencia acompañado por la documentación emitida por un organismo autorizado, que proporciona uno o varios valores de propiedades especificadas, con incertidumbres y trazabilidades asociadas, empleando procedimientos válidos.

Conceptos básicos de metrología: Operaciones metrológicas


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Operaciones metrológicas (VIM)

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• Ajuste

Conjunto de operaciones realizadas sobre un instrumento de medida para que proporcione indicaciones prescritas, correspondientes a valores dados de la magnitud a medir.

- Por ejemplo: ajuste del cero de una balanza, ajuste del cero de un blanco, ajuste de la posición de una escala para llevarla a un punto determinado, entre otros.

- No todos los equipos o patrones pueden ser ajustados


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• Verificación

Aportación de evidencia objetiva de que un elemento dado satisface los requisitos especificados.

- Debe existir un documento base para realizar la verificación (por ejemplo: una norma, un reglamento, una especificación del fabricante, entre otros).

- Los resultados de una verificación se expresan en un documento denominado “certificado de verificación”.


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• 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.

- Debe existir un patrón de mayor jerarquía metrológica para realizar la comparación.

- Los resultados de una calibración se expresan en un documento denominado “certificado de calibración”.


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• Importancia de la calibración

- Equipos bajo control metrológico reducen costos y brinda confianza en las actividades de producción industrial.

- El estado metrológico de los instrumentos puede variar por influencia de muchos factores. Las calibraciones periódicas pueden evitar que esto ocurra.

- Ayuda a caracterizar la repetibilidad y las especificaciones del método.

- Permite la transferencia y actualización de información metrológica.

- Justifica el reemplazo y actualización de instrumentos.

Conceptos básicos de metrología: Trazabilidad metrológica


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Trazabilidad (VIM)

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• Trazabilidad metrológica

Propiedad de un resultado de medida por la cual el resultado puede relacionarse con una referencia mediante una cadena ininterrumpida y documentada de calibraciones, cada una de las cuales contribuye a la incertidumbre de medida.

Por lo tanto, es incorrecto afirmar que:

- Un instrumento es trazable.

- Un patrón es trazable.

- Se cuenta con trazabilidad a una institución.

Trazabilidad (VIM)

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BIPM

Producto

Laboratorio Metrológico Primario

Laboratorio Secundario

Equipos de medición industriales

•Procedimientos

•Ensayos

•Mediciones

•Controles

•Calibraciones

•Reportes

Trazabilidad (VIM)

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Patrón de

trabajo Patrón de

referencia Patrón

secundario Patrón

primario

Trazabilidad (VIM)

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• Requisitos para la trazabilidad

- Cadena ininterrumpida de comparaciones: Debe abarcar desde las mediciones hasta los patrones primarios. Si no es así, se dice que la trazabilidad es incompleta o no existe.

- Incertidumbre: En cada nivel de la cadena de trazabilidad debe haber sido estimada la incertidumbre y declarada en algún documento.

- Documentación: En cada nivel de la cadena de trazabilidad debe existir un documento, por ejemplo, en un certificado de calibración, que establezca el valor, error, corrección e incertidumbre, acorde con los requisitos internacionales.

Trazabilidad (VIM)

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• Requisitos para la trazabilidad

- Unidades del Sistema Internacional: La trazabilidad debe estar referida a patrones del S.I.

- Competencia: La trazabilidad debe ser dada por entes competentes, es decir, por Laboratorios Nacionales de Metrología o Laboratorios Secundarios Acreditados.

- Recalibración: Los equipos y patrones de medida deben ser recalibrados a intervalos de tiempo adecuados. Si los equipos o patrones no se recalibran, la trazabilidad se pierde.

Fin de los conceptos básicos de metrología

¡Muchas Gracias!

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Referencias

• CEM (2008). Guía para la expresión de la incertidumbre de medida (GUM). 1 ed., CEM: España.

• CEM (2012). Vocabulario Internacional de Metrología (VIM). 3 ed., CEM: España.

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