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CONCEPTOS GENERALES DE BALANZAS Y PESAS, INTERPRETACIÓN DE CERTIFICADOS DE
CALIBRACIÓN
Paul R. Cruz Ordoñez
Laboratorio de Masa
Contenido
1. Propósito
2. Conceptos básicos de Metrología
3. Definiciones
4. Balanzas
4.1 Clasificación de balanzas
4.2 Errores máximos tolerados
4.3 Incertidumbre de Medición
4.4 Descripción de los ensayos de calibración
4.5 Presupuestos de la incertidumbre
4.6 Certificado de calibración de balanza
5. Pesas
5.1 Error Máximo Tolerado
5.2 Fuentes de Incertidumbre
5.3 Propiedades de las pesas
6. Resumen
1. Propósito:
La intención de esta charla es brindar a los participantes los conocimientos básicos de balanzas, pesas e interpretación de los certificados de calibración. Estos conocimientos son herramientas fundamentales para desarrollar y mejorar las actividades de asesoramiento, comprensión y resolución de problemas y atención eficiente de consultas.
Desde ya muchas gracias por su atención y por el esfuerzo que seguramente Ud. brindará para la comprensión de esta charla.
2. Conceptos básicos de Metrología ¿Por qué es importante medir?
Las mediciones son esenciales para la economía moderna y el comercio. Son ampliamente utilizadas en el desarrollo de nuevos productos, en las relaciones entre proveedores y usuarios y para la inspección de productos en uso.
Pero, ¿qué significa medir? La acción de medir es algo inherente a la percepción del ser humano. Cuando en nuestra vida cotidiana decimos, por ejemplo, “esa caja es más pesada que aquella” o “el agua que contiene ese recipiente está más caliente que la que tiene este otro” sin dudas y sin darnos cuenta, tal vez, estamos realizando mediciones.
Entonces, podemos decir que medir significa comparar con algo que se toma como referencia.
3. Definiciones:
Calibración
Calibración es un conjunto de operaciones que establece, bajo condiciones específicas, la relación entre los valores indicados por un instrumento de medición, sistema de medición, valores representados por una medida materializada o un material de referencia y los valores correspondientes a las magnitudes establecidas por los patrones.
Por ejemplo cuando realizamos la calibración de una balanza estamos comparando los valores de masa conocidos de una referencia, una pesa patrón, contra los valores de masa indicados por la balanza.
Cabe destacar la diferencia entre los términos calibración y verificación. Verificación es un proceso que permite asegurar que entre los valores indicados por un aparato o un sistema de medición y los valores conocidos correspondientes a una magnitud medida, los desvíos sean o no inferiores a los errores máximos tolerados.
Podríamos decir que una calibración es un acción más cuantitativa ya que lo más importante es el resultado de la medición, por supuesto, incluyendo la incertidumbre; mientras que una verificación es un hecho más cualitativo, aquí lo más importante es si una magnitud medida cumple o no con una especificación o error máximo tolerado
Patrones Ahora bien, vimos que medir significa comparar con una
referencia. Esa referencia se conoce como patrón. Un patrón es una medida materializada, instrumento de medir,
material de referencia o sistema de medición, destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o uno o varios valores conocidos de una magnitud, a fin de transmitirlos por comparación a otros instrumentos de medir.
Pesas Patrones En la realización de nuestro trabajo principalmente utilizamos
patrones de masa, es decir, pesas. Una pesa es una medida materializada de la masa, regulada de
acuerdo a sus características físicas y metrológicas: forma, dimensiones, material, terminación superficial, valor nominal y error máximo permitido. Es decir que para que un objeto pueda ser identificado como una pesa no sólo debe tener un valor de masa determinado sino que además debe cumplir con las características anteriormente mencionadas.
Clase de exactitud de las pesas: Designación de la clase de una pesa o juego de pesas que cumplen
ciertos requisitos metrológicos destinados a mantener los valores de masa dentro de los límites especificados.
Instrumento de pesaje: Instrumento de medición que sirve para determinar la masa de un
cuerpo utilizando la acción de la gravedad sobre este cuerpo. De acuerdo con su método de operación, un instrumento de pesaje está
clasificado como un instrumento de pesaje de funcionamiento automático o instrumento de pesaje de funcionamiento no automático.
Instrumento de pesaje de funcionamiento no automático (BALANZA):
Instrumento que requiere la intervención de un operador durante el proceso de pesaje para decidir si el resultado de pesaje es aceptable.
Masa:
Es una magnitud física que determina la cantidad de materia que tiene un cuerpo
Masa convencional:
Para una pesa tomada a una temperatura de referencia de 20 °C, la masa convencional es la masa de una pesa de referencia de una densidad 8000 kg/m3 que mantiene el equilibrio en el aire de una densidad de referencia de 1,2 kg/m3.
Capacidad Máxima (Máx):
Máximo valor de carga que indica el instrumento.
Capacidad mínima (Mín):
Valor por debajo del cual las pesadas están afectadas de un error relativo importante.
División de escala (d):
Valor expresado en unidades de masa de la división mas pequeña equivalente a la diferencia entre dos indicaciones de valores consecutivos
División de verificación (e):
Valor expresado en masa de la división utilizada para la verificación de los instrumentos.
Número de divisiones de escala de verificación, (n):
Cociente entre la capacidad máxima y el valor de la división de verificación (n= Máx/e)
Fuerza de empuje:
Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza en sentido contrario al peso equivalente al peso del fluido desplazado (principio de Arquímedes). Ejemplo de fluido son el agua, aire, etc. Por este principio “parecemos más livianos” dentro de una piscina que fuera de ella.
En conclusión podemos decir que la fuerza actuante sobre la balanza es
el “peso aparente” del cuerpo cuya masa se requiere determinar.
En este ejemplo el peso aparente es igual a la diferencia entre el peso y
la fuerza debida al empuje del fluido de donde se halla el cuerpo.
4. Balanzas
4.1 Clasificación de balanzas Para la realización de los ensayos es necesario determinar la clase
de precisión de la balanza a calibrar, ya que de esto dependen la clase de precisión las pesas patrones de trabajo a utilizar.
La determinación de la clase de precisión de las balanzas se realiza según los criterios establecidos en la NMP-003:2009.
1 mg 10 mg 100 mg 1 g0 g hasta 105 g 0 g hasta 1 301 g 0 g hasta 13 301 g 0 g hasta 133 301 g
SIEMPRE Mayores Mayores Mayores MayoresF1
E2
BALANZA DE CLASE DE EXACTITUD - ALCANCESDivisión de verificación de la escala ( e )
d < 1mgClase de exactitud de
Pesas
1 mg 10 mg 100 mg 1 gM1 -------- 0 g hasta 105 g 0 g hasta 1 301 g 0 g hasta 13 301 gF2 0 g hasta 1 g 0 g hasta 650 g 0 g hasta 6 650 g 0 g hasta 66 650 gF1 0 g hasta 100 g 0 kg hasta 1 kg 0 kg hasta 10 kg 0 g hasta 100 kg
BALANZA DE CLASE DE EXACTITUD - ALCANCESDivisión de verificación de la escala ( e )Clase de exacitud
de Pesas
4.2 Errores máximos tolerados
Los errores máximos tolerados (EMT) para las balanzas están definidos, según la NMP-003:2009., según la siguiente tabla:
Por ejemplo, en el siguiente gráfico se muestran los errores máximos tolerados para un abalanza de 220g de capacidad máxima y 1mg de división de verificación.
Max=220g
e=1mg
4.3 Incertidumbre de Medición
Analizaremos ahora algunos conceptos básicos relacionados con la incertidumbre de medición. De inmediato surgen varios interrogantes. ¿Qué es el resultado de una medición? ¿Qué es la incertidumbre? ¿Incertidumbre es lo mismo que error?
Cuando realizamos una medición, nuestro objetivo es conocer el valor de alguna magnitud física de un objeto, por ejemplo la masa de una pesa. En general, al objeto de la medición lo llamaremos mesurando. Para realizar esto, debemos interactuar con el objeto utilizando instrumentos de medición adecuados que no son perfectos, ni siquiera en las mediciones más cuidadosas y de más alta calidad, de modo que finalmente llegaremos a conocer aproximadamente cuál es el valor de aquello que queríamos medir. En términos un poco más formales, tendremos un valor estimado del valor real o valor verdadero de la magnitud que deseamos conocer.
Como vimos antes, los instrumentos que utilizamos para medir no son perfectos, los patrones tampoco, hay variaciones en las condiciones ambientales que no podemos controlar y que pueden tener algún efecto sobre la medición. Todo esto genera un cierto margen de duda acerca de la exactitud del resultado de la medición. Esa duda la vamos a cuantificar a través de un parámetro asociado a la medición que llamaremos incertidumbre.
Es decir que el resultado de una medición no es un único valor sino un intervalo de valores en el cual, con cierta probabilidad o con un nivel de confianza dado, como veremos luego, se encuentra el valor verdadero del mesurando.
¿Error o Incertidumbre? Es importante diferenciar estos conceptos.
El error es la diferencia entre el valor medido y el valor convencionalmente verdadero (valor nominal) del mesurando.
Mientras que, como dijimos antes, la incertidumbre es la cuantificación de la duda que se tiene sobre el resultado de la medición.
Cuando sea posible se trata de corregir los errores conocidos, por ejemplo aplicando las correcciones indicadas en los certificados de calibración. Pero cualquier error que no se conozca su valor puede ser una fuente de incertidumbre.
A continuación se muestran gráficamente los conceptos de error
incertidumbre:
Factores de influencia: Como hemos analizado, las balanzas son utilizadas para determinar la
masa convencional de un cuerpo a través de la fuerza que este ejerza sobre la balanza.
Idealmente esta fuerza debería ser equivalente al peso del cuerpo menos la fuerza de empuje del aire. De ser así vimos que si se ajustara la balanza con un patrón de masa según su valor de masa convencional, es posible entonces atribuir directamente la indicación de la balanza al valor de masa convencional del cuerpo que se este pesando.
Pero en la práctica existen más fuerzas que pueden interactuar entre el cuerpo y la balanza, ocasionando entonces errores en la determinación de masa.
A continuación se detallaran cuales son los factores más importantes a tener en cuenta y como minimizarlos:
a. Campo gravitacional
b. Desnivel
c. Vibraciones
d. Corrientes de aire
e. Condiciones ambientales
f. Cargas electroestáticas
g. Cargas magnéticas
h. Interferencia electromagnéticas
i. Diferencia de temperatura entre objeto y ambiente
4.4 Descripción de los ensayos de calibración:
Las pruebas realizadas para la calibración de la balanza son las siguientes:
Repetibilidad; Excentricidad; Pesaje
Ensayo de Repetibilidad
El objetivo de este ensayo es comprobar la actitud de la balanza para suministrar resultados idénticos para una misma carga, depositada varias veces sobre su receptor, en condiciones estables durante la prueba.
inicial final inicial final24,2 24,4 63,6 61,3
Carga 300,00 g Carga 600,00 gIL
DL E ILDL E
( g ) ( mg ) ( g ) ( g ) ( mg ) ( g )300,00 9 -0,004 599,99 3 -0,008300,00 8 -0,003 599,99 5 -0,010300,00 9 -0,004 599,99 6 -0,011300,00 9 -0,004 599,99 7 -0,012300,00 9 -0,004 599,99 7 -0,012300,00 8 -0,003 599,99 6 -0,011300,00 8 -0,003 599,99 5 -0,010300,00 7 -0,002 599,99 5 -0,010300,00 7 -0,002 599,99 5 -0,010300,00 7 -0,002 599,99 5 -0,010
0,002 0,0040,1 0,2
Diferencia MáximaError máximo permisible (±)
Ensayo de Repetibilidad
Temperatura (°C)
Diferencia MáximaError máximo permisible (±)
Humedad Relativa (%)
Cálculos
El error E se calcula mediante las ecuaciones siguientes:
E = I – L (para balanzas de indicación analógica y con e < 10 mg)
E = I + ½ d - ∆L – L (para balanzas de indicación digital)
La diferencia máxima de las indicaciones para cada carga de ensayo será:
∆E = E máx – E Mín.
Ensayo de Excentricidad: El ensayo de excentricidad tiene como objetivo evaluar la propiedad
de la balanza de suministrar valores similares cuando la carga es colocada en cualquier posición del receptor de carga.
Para las balanzas que tienen cuatro o menos puntos de apoyo, la superficie del platillo receptor de carga se divide en cuatro partes iguales.
Por ejemplo:
inicial final inicial final24,4 24,4 61,3 61,3
Posición
de la Carga Min. ILDL E0 Carga L IL
DL E Ec
Carga ( g ) ( g ) ( mg ) ( g ) ( g ) ( g ) ( mg ) ( g ) ( g )0 0,10 10 -0,005 200,00 7 -0,002 0,0031 0,10 7 -0,002 200,00 8 -0,003 -0,0012 0,10 8 -0,003 199,99 2 -0,007 -0,0043 0,09 4 -0,009 200,00 6 -0,001 0,0084 0,10 7 -0,002 200,00 7 -0,002 0,000
0,1
Ensayo de Excentricidad de la carga
0,10
Humedad Relativa (%)
Determinación del error corregido E cDeterminacion de E o
200,00
Error máximo permisible (±)
Temperatura (°C)
04
32
1Posición de las Cargas
La carga de prueba es igual a 1/3 de la capacidad máxima.
Para las balanzas que tienen cuatro o mas puntos de apoyo, la superficie del receptor de carga se divide en n porciones iguales, siendo n la cantidad de puntos de apoyo.
La carga de prueba es igual a 1/(n-1) de la suma de la capacidad máxima, repartida sucesivamente en cada uno de las porciones de la superficie del dispositivo receptor de cargas.
Si el instrumento dispone de un dispositivo de cero-automático o de cero-tracking, éste es activado durante la prueba.
Cabe aclarar que en las balanzas que tienen la carga directamente suspendida no se realiza el ensayo de excentricidad. (Por ejemplo las balanzas colgantes)
Cálculos Los errores E0 (error en cero) y E se determinan de la misma forma
indicada en los cálculos del ensayo de repetibilidad considerando para cada caso la carga L respectiva.
El error corregido Ec para cada posición de carga se calcula mediante la diferencia Ec = E - E0
Ensayo de Pesaje El ensayo de pesaje tiene como objetivo evaluar la exactitud de la
balanza en todo el rango de pesada.
Se selecciona diez diferentes valores de carga, dentro de los cuales deben estar incluidos el cero, capacidad máxima (Máx), capacidad mínima (Mín) y valores cercanos o iguales a los puntos de cambio del error máximo tolerado (EMT).
inicial final inicial final24,4 24,6 60,2 62,5
Carga Error L IL
DL E Ec ILDL E Ec Máximo
( g ) ( g ) ( mg ) ( g ) PermisibleE0 0,10 0,10 9 -0,004 ± ( g )
0,50 0,50 9 -0,004 0,000 0,50 7 -0,002 0,002 0,160,00 60,00 9 -0,004 0,000 60,00 8 -0,003 0,001 0,1120,00 120,00 9 -0,004 0,000 120,00 8 -0,003 0,001 0,1150,00 150,00 8 -0,003 0,001 150,00 9 -0,004 0,000 0,1200,00 200,00 7 -0,002 0,002 200,00 6 -0,001 0,003 0,1240,00 240,00 7 -0,002 0,002 240,00 9 -0,004 0,000 0,1300,00 300,00 7 -0,002 0,002 300,00 5 0,000 0,004 0,1360,00 360,00 8 -0,003 0,001 360,00 4 0,001 0,005 0,1480,00 480,00 7 -0,002 0,002 479,99 6 -0,011 -0,007 0,1610,00 609,99 9 -0,014 -0,010 609,99 9 -0,014 -0,010 0,2
L : Carga puesta sobre la balanza E0 : Error en cero
IL : Lectura de la balanza Ec : Error corregidoE : Error encontrado DL : Carga incrementada
Temperatura (°C)
CARGA DECRECIENTECARGA CRECIENTE
Humedad Relativa (%)
Ensayo de pesaje
( g )( mg ) ( g )( g )( g )
Cálculos Los errores E0 (error en cero) y E se determinan de la misma forma
indicada en los cálculos del ensayo de repetibilidad considerando para cada caso la carga L respectiva.
El error corregido Ec para cada posición de carga se calcula mediante la diferencia Ec = E - E0
4.5 Presupuestos de la incertidumbre:
4.6 Certificado de calibración de balanza
5 Pesas
. ¿Para qué se necesitan las pesas?
a. Para calibrar las balanzas en las tiendas de artículos consumibles
b. Para calibrar la pesa que se utiliza para calibrar la balanza
. ¿Por qué se necesita un certificado de calibración?
Se necesita para la trazabilidad de acuerdo con el estándar internacional
5.1 Error Máximo Tolerado
De acuerdo a la clase de precisión las pesas deben cumplir con errores máximos tolerados. Estos se detallan en la siguiente tabla, de acuerdo a la recomendación de la OIML R-111
5.2 Fuentes de Incertidumbre
Debemos identificar todas las posibles fuentes que aportaran a al incertidumbre de la medición. Estas provienen de los diversos factores involucrados en la medición.
Podemos citar algunas, por ejemplo: Los resultados de la calibración de los instrumentos utilizados en la
medición. Las características propias del instrumento, por ejemplo en la
legibilidad de una balanza. La incertidumbre de los patrones. La repetibilidad de las lecturas. La reproducibilidad de las mediciones por cambio, por ejemplo, de
observadores o instrumentos.
La variación de las condiciones ambientales. En el caso de calibración de pesas, por ejemplo, estas son tenidas en cuenta sensando temperatura, presión y humedad durante las mediciones.
El modelo particular de la medición. El efecto del empuje del aire con la incertidumbre de la densidad del
aire.
5.3 Propiedades de las pesas Construcción/Geometría Material: Todas las pesas deben tener un material resistente a la
corrosión Magnetismo: Las pesas no deben interactuar con campos magnéticos
(transformadores, por ejemplo). Densidad
Aspereza Superficial: La aspereza de la superficie afecta a la absorción de la suciedad, del polvo y de otras partículas que afecten a la masa. Por lo tanto, deben ser suave y pulida.
Sensibilidad magnética: receptividad para la magnetización
6. Resumen El laboratorio es el elemento que afecta de forma significativa al
rendimiento alcanzado por las balanzas
La verificación es una evaluación cualitativa de los resultados de una comparación y No cuantitativa como es en el caso de calibración el cual implica un tratamiento de los resultados obtenidos
El interpretar adecuadamente un Certificado de Calibración implica conocer a detalle el estado actual en el que se encuentra nuestra balanza y / o pesa y en consecuencia aprovechar mejor este documento
Muchas gracias
