GUÍA PARA CALIBRACIÓN DE PIE DE REY Laboratorio: Elaboró: Revisó: 1. Metrología Dimensional David Alonso Plazas Fernández Victor Hugo Gil Gil Introducción. Con esta guía se busca, sea una referencia técnica y un documento base para la elaboración de procedimientos de calibración así como para realizar calibraciones de pie de rey para todos los sectores involucrados en la metrología dimensional. 2. Alcance. El alcance de la presente guía es aplicable para la calibración de pie de rey analógico y digital, realizada en las instalaciones del laboratorio. Nota: Esta guía tiene como propósito dar recomendaciones generales para la elaboración de los procedimientos de calibración para pie de rey. 3. Terminología y símbolos. 3.1. Terminología CALIBRACIÓN [1] (2.39): 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. NOTA 1 Una calibración pude expresarse mediante una declaración, una función de calibración, un diagrama de calibración, una curva de calibración o una tabla de calibración. En algunos casos, puede consistir en una corrección aditiva o multiplicativa de la indicación con su incertidumbre correspondiente. NOTA 2 Conviene no confundir la calibración con el ajuste de un sistema de medida, a menudo llamado incorrectamente “autocalibración”, ni con una verificación de la calibración. NOTA 3 Frecuentemente se interpreta que únicamente la primera etapa de esta definición corresponde a la calibración. 1 ERROR DE MEDIDA [1] (2.16): Diferencia entre un valor medido de una magnitud y un valor de referencia. INCERTIDUMBRE DE MEDIDA [1] (2.26): Parámetro no negativo que caracteriza la dispersión de los valores atribuidos a un mensurando, a partir de la información que se utiliza NOTA 1 La incertidumbre de medida incluye componentes procedentes de efectos sistemáticos, tales como componentes asociadas a correcciones y a valores asignados a patrones, así como la incertidumbre debida a la definición. Algunas veces no se corrigen los efectos sistemáticos estimados y en su lugar se tratan como componentes de incertidumbre. NOTA 2 El parámetro puede ser, por ejemplo, una desviación típica, en cuyo caso se denomina incertidumbre típica de medida (o un múltiplo de ella), o la semiamplitud de un intervalo con un probabilidad de cobertura determinada. NOTA 3 En general, la incertidumbre de medida incluye numerosas componentes. Algunas pueden calcularse mediante una evaluación tipo A de la incertidumbre de medida, a partir de la distribución estadística de los valores que proceden de las series de mediciones y pueden caracterizarse por desviaciones típicas. Las otras componentes, que pueden calcularse mediante una evaluación tipo B de la incertidumbre de medida, pueden caracterizarse también por desviaciones típicas, evaluadas a partir de funciones de densidad de probabilidad basadas en la experiencia u otra información. NOTA 4 En general, para una información dada, se sobreentiende que la incertidumbre de medida está asociada a un valor determinado atribuido al mensurando. Por tanto, una modificación de este valor supone una modificación de la incertidumbre asociada. VERIFICACIÓN [1] (2.44): Aportación de evidencia objetiva de que un elemento dado satisface los requisitos especificados. INTERVALO DE MEDIDA [1] (4.7): Conjunto de valores de magnitudes de una misma naturaleza que un instrumento o sistema de medida dado puede medir con una incertidumbre instrumental especificada, en unas condiciones determinadas. RESOLUCIÓN DE UN DISPOSITIVO VISUALIZADOR [1] (4.15): Mínima diferencia entre indicaciones visualizadas, que puede percibirse de forma significativa. REPETIBILIDAD DE MEDIDA [1] (2.21): Precisión de medida bajo un conjunto de condiciones de repetibilidad. TRAZABILIDAD METROLÓGICA [1] (2.41): 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. 2 NOTA 1 En esta definición, la referencia puede ser la definición de una unidad de medida, mediante una realización práctica, un procedimiento de medida que incluya la unidad de medida cuando se trate de una magnitud no ordinal, o un patrón. NOTA 2 La trazabilidad metrológica requiere una jerarquía de calibración establecida. NOTA 3 La especificación de la referencia debe incluir la fecha en la cual se utilizó dicha referencia, junto con cualquier otra información metrológica relevante sobre la referencia, tal como la fecha en que se haya realizado la primera calibración en la jerarquía. NOTA 4 Para mediciones con más de una magnitud de entrada en el modelo de medición, cada valor de entrada debiera ser metrológicamente trazable y la jerarquía de calibración puede tener forma de estructura ramificada o de red. El esfuerzo realizado para establecer la trazabilidad metrológica de cada valor de entrada debería ser en proporción a su contribución relativa al resultado de la medición. NOTA 5 La trazabilidad metrológica de un resultado de medida no garantiza por sí misma la adecuación de la incertidumbre de medida a un fin dado, o la ausencia de errores humanos. NOTA 6 La comparación entre dos patrones de medida puede considerarse como una calibración si ésta se utiliza para comprobar, y si procede, corregir el valor y la incertidumbre atribuidos a uno de los patrones. NOTA 7 La ILAC considera que los elementos necesarios para confirmar la trazabilidad metrológica son: una cadena de trazabilidad metrológica ininterrumpida a un patrón internacional o a un patrón nacional, una incertidumbre de medida documentada, un procedimiento de medida documentado, una competencia técnica reconocida, la trazabilidad metrológica al SI y los intervalos entre calibraciones (véase ILAC P-10:2002). NOTA 8 Algunas veces el término abreviado “trazabilidad” se utiliza en lugar de “trazabilidad metrológica” así como para otros conceptos, como trazabilidad de una muestra, de un documento, de un instrumento, de un material, etc., cuando interviene el historial (“traza”) del elemento en cuestión. Por tanto, es preferible utilizar el término completo “trazabilidad metrológica” para evitar confusión. 3.2. Símbolos y abraviaturas CCH Verificador calibre o caliper checker 𝑈 Incertidumbre expandida 𝑢(𝑥) Incertidumbre típica 𝑢𝑐 (𝑥) Incertidumbre combinada 𝑘 Factor de cobertura 3 𝑣𝑒𝑓𝑓 Grados efectivos de libertad 𝛼𝑝 Coeficiente de expansión térmica del bloque patrón 𝛼𝑖 Coeficiente de expansión térmica del instrumento (pie de rey) 𝑛 Número de mediciones realizadas 𝜃𝑝 Diferencia de temperatura del patrón respecto a la temperatura de referencia 𝜃𝑖 Diferencia de temperatura del instrumento (pie de rey), respecto a la temperatura de referencia 𝑒 Error de medida 𝑠𝑝 Desviación típica experimental estimada a partir de un conjunto de datos. 𝑙𝑖 Lectura indicada en el instrumento (pie de rey) 𝑏𝑝 Valor del bloque patrón según el certificado de calibración 𝑢(𝑒𝑎𝑏𝑏 ) Incertidumbre por el efecto de Abbe 𝑢(𝑒𝑝 ) Incertidumbre por el efecto de paralaje 𝑢(𝑒𝑚 ) Incertidumbre por falta de paralelismo en las mandíbulas 𝑢(𝑒𝐴𝐶 ) Incertidumbre debida a la longitud del ancho combinado 𝑢(𝑒𝑝𝑙𝑎 ) Incertidumbre debida a la planitud de las superficies de medición 𝑢(𝑐𝑐) Incertidumbre del caliper checker ∆𝑢 Incertidumbre relativa 𝑣𝑖 Número de grados de libertad 𝑒𝑎 Efecto de abbe 𝑏 Longitud de la mandíbula 𝑙𝑛 Longitud del nonio o vernier ℎ𝑢𝑒𝑙𝑔𝑜 Es el ajuste que hay entre el cuerpo principal del pie de rey y el nonio 𝑒𝑝 Efecto de paralaje 𝐷𝑂 Desplazamiento del observador respecto a la línea perpendicular de observación 𝐷𝐹 Distancia entre el observador y el instrumento. 𝑎 Separación de la escala del nonio respecto a la escala principal 4 𝑟𝑒𝑠 Resolución del instrumento. 𝑒𝑣 Distancia entre la primera línea del nonio a la segunda línea. 𝑟𝑒𝑠𝑡 Resolución del indicador de temperatura. 𝑐𝑡 Incertidumbre que indica el certificado del termómetro. 𝑡𝑙 Variación de temperatura del laboratorio. 𝑒𝐴𝐶 Error debido a la longitud de ancho combinado. 𝑒𝑝𝑙𝑎 Error de planitud de las superficies de medición. 4. Generalidades de la calibración. El pie de rey es un instrumento de medición usado para satisfacer la necesidad de efectuar una lectura directa de longitud que proporcione una medida, en una sola operación. El pie de rey típico puede tomar 3 tipos de mediciones básicas: exteriores, interiores, profundidades y en algunos modelos tiene la capacidad de medir en escalón. Un pie de rey está constituido principalmente por una escala principal o cuerpo, una escala vernier o nonio que es la auxiliar y que se desliza a lo largo de la escala principal y unas mandíbulas con sus respectivas superficies de medición. Este instrumento es utilizado para indicar la distancia entre cada superficie de medición mediante la lectura correspondiente en la escala principal y la escala vernier. Ver Figura 1 Superficies para mediciones internas Tornillo de fijación Cursor Cuerpo principal Nonio o Vernier Escala principal Barra de profundidad Mandíbula móvil Superficies para mediciones exteriores Mandíbula fija Figura 1 Partes del pie de rey 5 Esta guía se aplica tanto a los pie de rey analógicos con un intervalo de medición máximo de 0 mm a 1000 mm y a escala nonio o escala circular en 0.1 mm, 0.05 mm, 0.02 mm 0.01 mm, como a los pie de rey digitales con intervalos de 0 mm hasta un máximo de 1000 mm y, con incrementos de 0.01 mm. 5. Método de calibración. La condiciones ambientales de las instalaciones, donde se vaya a realizar la calibración, se deben establecer y permanecer a una temperatura de 20 °C ± 2 °C y, con una humedad relativa de 50 % ± 10 %. Durante la calibración, la variación de la temperatura no debe superar 1 °C. El método de calibración es por comparación directa, que consiste en realizar mediciones con un pie de rey en el que la referencia son bloques patrón o un CCH calibrado. Cuando se utiliza la combinación de bloques patrón deberán estar apoyados sobre un mármol de medición, una superficie plana de referencia (calibrados) o estar unidos con accesorios para bloques patrón. 5.1. Descripción de equipos, patrones e insumos • • • • • • • • • Guantes de algodón o nitrilo Solvente para limpieza Vaselina Mármol o superficie plana de referencia (calibrados) Paño suave Bloques patrón calibrados grado 2 o mejor. Anillos patrón o accesorios para medición de interiores Un indicador de temperatura con resolución 0.1 °C o mejor, debidamente calibrado Un indicador de humedad relativa con resolución de 1 % o mejor, debidamente calibrado 5.2. Operaciones previas Registrar la temperatura inicial. Si se tiene la facilidad de registrar los datos durante toda la calibración es mucho mejor porque de esta forma se puede obtener la variación de la temperatura al momento de la calibración cuyo dato irá en el presupuesto de incertidumbre por temperatura. NOTA: SI Se debe escoger, como mínimo, cuatro puntos de medición a lo largo de todo el intervalo excluyendo el cero, de los cuales algunos deben incluir valores decimales para la evaluación del nonio. 6 NOTA: El procedimiento se debe aplicar de acuerdo al uso final del instrumento. Si éste se utiliza en todas las aplicaciones se deberá realizar la calibración para cada una de ellas. Limpiar los bloques patrón con solvente para limpieza, en el caso del CCH limpiarlo con lo que recomienda el fabricante, con el fin de eliminarle la capa protectora de vaselina y las impurezas que se puedan acumular. Limpiar las superficies de medición del pie de rey. Deje en cero el pie de rey y obsérvelo a contraluz para ver si hay alguna imperfección entre las mandíbulas. En caso de que exista alguna imperfección, según el criterio del metrólogo, se procede o no a calibrar el instrumento. Después de la inspección visual, limpie nuevamente las mandíbulas del pie de rey y déjelo sobre el mármol cercano a los bloques, con el fin de que la temperatura sea muy cercana entre el instrumento y los patrones. Organice los patrones y el instrumento bajo calibración sobre el mármol o superficie plana de referencia. Esperar por lo menos una hora antes de iniciar la calibración. 5.3. Procedimiento de calibración La forma de calibrar interiores, exteriores, barra de profundidad y profundímetros se describe en el anexo No.1 Después que se estabilice térmicamente el sistema, registre la temperatura inicial. Tome el pie de rey y mida el patrón cuidando que las superficies de medición hagan un buen contacto con el patrón (ya sea el bloque o CCH). Si para la materialización de una medida se requiere unir dos o más bloques, se recomienda que dicha unión sea máximo, de cuatro bloques. Luego, continúe al siguiente punto y así hasta llegar al último. Realice este mismo proceso, hasta completar como mínimo tres series de medida. Al finalizar, registre la temperatura que tenga el indicador. 6. Resultados de la medición. Para la toma de datos se sugiere utilizar una tabla similar a la siguiente: 7 Valor patrón 1 (mm) LECTURA DEL INSTRUMENTO (mm) 2 3 4 5 6 7 8 Promedio (mm) sp ( m) Error (mm) Tabla 1 Toma de Datos En la tabla 1 se consigna las lecturas del pie de rey. En la primera columna van los valores nominales de los patrones que se utilizan, en las columnas LECTURA DEL INSTRUMENTO van los valores que indica el pie de rey. Se realizan como mínimo cuatro mediciones. En la columna Promedio, se coloca el promedio de las lecturas en milímetros. En la columna 𝑠𝑝 se coloca la desviación estándar de las lecturas en micrómetros. Y en la columna del Error se coloca la diferencia del promedio menos el valor del patrón en milímetros. 7. Estimación de la incertidumbre. Para la estimación de la incertidumbre se parte de la ecuación básica de error: 𝑒 = 𝑙𝑖 − 𝑏𝑝 (1) 𝑒 = Error 𝑙𝑖 = Lectura en el instrumento 𝑏𝑝 = Valor del patrón según el certificado de calibración. A esto es necesario hacer la corrección por temperatura del instrumento y del patrón. 𝑒 = 𝑙𝑖(1 + 𝛼𝑖 𝜃𝑖 ) − 𝑏𝑝(1 + 𝛼𝑝 𝜃𝑝 ) (2) 8 𝛼𝑖 = Coeficiente de expansión térmica del pie de rey. 𝜃𝑖 = Diferencia de temperatura del pie de rey respecto a la temperatura de referencia (20 °C). 𝛼𝑝 = Coeficiente de expansión térmica del patrón. 𝜃𝑝 = Diferencia de temperatura del patrón respecto a la temperatura de referencia (20 °C). Según el numeral 5.1.2. De la GUM, la incertidumbre típica es: 𝜕𝑓 2 2 𝑢𝑐2 (𝑦) = ∑𝑁 𝑖=1 [𝜕𝑥 ] 𝑢 (𝑥𝑖 ) (3) 𝑖 Para cumplir con la ecuación (3) es necesario hallar los coeficientes de sensibilidad de la ecuación (2) de la siguiente manera: 𝑒 = 𝑙𝑖(1 + 𝛼𝑖 𝜃𝑖 ) − 𝑏𝑝(1 + 𝛼𝑝 𝜃𝑝 ) (2) 𝑒 = 𝑓(𝑙𝑖, 𝛼𝑖 , 𝜃𝑖 , 𝑏𝑝, 𝛼𝑝 , 𝜃𝑝 ) 𝜕𝑒 = (1 + 𝛼𝑖 𝜃𝑖 ) 𝜕𝑙𝑖 𝜕𝑒 =1 𝜕𝑙𝑖 𝜕𝑒 = 𝑙𝑖𝜃𝑖 𝜕𝛼𝑖 𝜕𝑒 = 𝑙𝑖𝛼𝑖 𝜕𝜃𝑖 𝜕𝑒 = −(1 + 𝛼𝑝 𝜃𝑝 ) 𝜕𝑏𝑝 9 𝜕𝑒 = −1 𝜕𝑏𝑝 𝜕𝑒 = −𝑏𝑝. 𝜃𝑝 𝜕𝛼𝑝 𝜕𝑒 = −𝑏𝑝. 𝛼𝑝 𝜕𝜃𝑝 Retomando la ecuación (3) perteneciente a la GUM, la incertidumbre combinada para pie de rey quedará de la siguiente manera: 2 2 𝑢𝑐2 = 𝑢2 (𝑙𝑖) + (𝑙𝑖𝜃𝑖 )2 𝑢2 (𝛼𝑖 ) + (𝑙𝑖𝛼𝑖 )2 𝑢2 (𝜃𝑖 ) + 𝑢2 (𝑏𝑝) + (−𝑏𝑝. 𝜃𝑝 ) 𝑢2 (𝛼𝑝 ) + (−𝑏𝑝. 𝛼𝑝 ) 𝑢2 (𝜃𝑝 ) (4) Dentro de la incertidumbre por indicación 𝑢(𝑙𝑖) además de la incertidumbre por resolución y repetibilidad, están implícitas otras fuentes de incertidumbre que hay que tener en cuenta las cuales son: 𝑢(𝑒𝑎𝑏𝑏 ): Incertidumbre por el efecto de Abbe 𝑢(𝑒𝑝 ): Incertidumbre por el efecto de paralaje 𝑢(𝑒𝑚 ): Incertidumbre por falta de paralelismo en las mandíbulas. Por lo tanto la incertidumbre por indicación 𝑢(𝑙𝑖) será igual a: 𝑢(𝑙𝑖) = √𝑢2 (𝑟𝑒𝑝) + 𝑢2 (𝑟𝑒𝑠)+𝑢2 (𝑒𝑎𝑏𝑏 )+𝑢2 (𝑒𝑝 )+𝑢2 (𝑒𝑝𝑙𝑎 ) + 𝑢2 (𝑒𝑚 ) Al elevarla al cuadrado y remplazarla en la fórmula 4 quedará de la siguiente manera: 𝑢𝑐2 = 𝑢2 (𝑟𝑒𝑝) + 𝑢2 (𝑟𝑒𝑠)+𝑢2 (𝑒𝑎𝑏𝑏 )+𝑢2 (𝑒𝑝 )+𝑢2 (𝑒𝑝𝑙𝑎 ) + 𝑢2 (𝑒𝑚 ) + (𝑙𝑖𝜃𝑖 )2 𝑢2 (𝛼𝑖 ) + 2 2 (𝑙𝑖𝛼𝑖 )2 𝑢2 (𝜃𝑖 ) + 𝑢2 (𝑏𝑝) + (−𝑏𝑝. 𝜃𝑝 ) 𝑢2 (𝛼𝑝 ) + (−𝑏𝑝. 𝛼𝑝 ) 𝑢2 (𝜃𝑝 ) (5) 10 8. Presentación de los resultados. NOTA: Los datos aquí consignados corresponden a un ejemplo ilustrativo. Se tiene un pie de rey de 150 mm, con resolución de 0.05 mm, fue calibrado a una temperatura inicial de 20.3 °C y una temperatura final de 20.5 °C. El certificado de calibración del bloque dice que tiene una incertidumbre de (0.1 + L) m, donde L va en m con un k de 2. La resolución del indicador de temperatura es de 0.1 °C, el certificado de calibración del mismo dice que tiene una incertidumbre de 0.7 °C con un k igual a 2. El bloque patrón es grado 0 el cual tiene 3 meses de calibrado, el coeficiente de expansión térmica del bloque patrón es de: 11.5 x 10-6 °C-1 0.5 x 10-6 °C-1. Se asumió que el coeficiente de expansión térmica del pie de rey es de: 11 x 10-6 °C-1 1 x 10-6 °C-1. La máxima desviación estándar fue de 17.7 m y se obtuvo en el punto 150 mm . La medición del paralelismo de las mordazas dio como resultado 10 m. La planitud en la mandíbula fija fue de 1.5 m y en la móvil 0 m. El laboratorio debe estar a una temperatura de 20°C 1 °C. Incertidumbre por repetibilidad 𝒖(𝒓𝒆𝒑): 𝑢(𝑟𝑒𝑝) = 𝑢(𝑟𝑒𝑝) = 𝑠𝑝 √𝑛 17.7 μm √8 𝑢(𝑟𝑒𝑝) = 6.25 μm 11 Incertidumbre por resolución 𝒖(𝒓𝒆𝒔): 𝑢(𝑟𝑒𝑠) = 𝑢(𝑟𝑒𝑠) = 𝑟𝑒𝑠 2√3 50 μm 2√3 𝑢(𝑟𝑒𝑠) = 14.43 μm NOTA: La resolución es la mínima división de escala para este tipo de instrumento Incertidumbre por el efecto de Abbe 𝒖(𝒆𝒂𝒃𝒃 ) Este efecto es causado por el juego que existe entre el cursor y el cuerpo del pie de rey cuando se toman medidas que queden alejadas de la escala principal como se observa en la figura No.7. Figura 2. Efecto de Abbe 12 Para determinar el valor de dicho efecto se emplea la siguiente ecuación: 𝑒𝑎 = 𝑏 ∙ ℎ𝑜𝑙𝑔𝑢𝑟𝑎 𝑙𝑛 En las siguientes gráficas se enseñan algunas variables: Figura 3. Variables del efecto de Abbe Donde: 𝑏 Longitud de la mandíbula 𝑙𝑛 Longitud del nonio o vernier. ℎ𝑜𝑙𝑔𝑢𝑟𝑎 Es el ajuste que hay entre el cuerpo principal del pie de rey y el nonio Para efectos del ejemplo, se asignan los siguientes valores: 𝑏 = 47 mm 𝑙𝑛 = 52 mm ℎ𝑜𝑙𝑔𝑢𝑟𝑎 = 0.03 mm , el cual corresponde a lo indicado en la norma NTC 4303 figura 9 [2] 13 Se toman estos datos y se remplazan en la ecuación así: 𝑒𝑎 = 𝑏 ∙ ℎ𝑜𝑙𝑔𝑢𝑟𝑎 𝑙𝑛 𝑒𝑎 = 47 mm ∙ 0.03 mm 52 mm 𝑒𝑎 = 27.12 μm Por lo tanto, la incertidumbre por el efecto de Abbe 𝑢(𝑒𝑎𝑏𝑏 ) queda. 𝑢(𝑒𝑎𝑏𝑏 ) = 𝑢(𝑒𝑎𝑏𝑏 ) = 𝑒𝑎 2√3 27.12 μm 2√3 𝑢(𝑒𝑎𝑏𝑏 ) = 7.83 μm NOTA: Para pie de rey con resolución menor a 0.02 mm, este error se puede comprobar con un bloque patrón, al modificar la posición a lo largo de toda la longitud de las mandíbulas. Incertidumbre por el efecto de paralaje 𝒖(𝒆𝒑 ) En dicho efecto es necesario tener en cuenta las siguientes variables: 𝑒𝑝 Efecto de paralaje 𝐷𝑂 Desplazamiento del observador respecto a la línea perpendicular de observación 𝐷𝐹 Distancia entre el observador y el instrumento 𝑎 Separación de la escala del nonio respecto a la escala principal 𝑟𝑒𝑠 Resolución del instrumento 14 𝑒𝑣 Distancia entre la primera línea del nonio a la segunda línea (figura No.10) Figura 4. Paralaje. Diagrama extraído de un documento del CENAM [3] Figura 5. Diagrama 𝑒𝑣 La ecuación para determinar el efecto de paralaje es la siguiente: 𝑒𝑝 = 𝐷𝑂. 𝑎. 𝑟𝑒𝑠 𝐷𝐹. 𝑒𝑣 Para efectos del ejemplo se tienen los siguientes datos: 𝐷𝑂 = 32.5 mm 𝐷𝐹 = 300 mm 15 𝑎 = 0.2 mm 𝑟𝑒𝑠 = 0.05 mm 𝑒𝑣 = 1.95 mm Remplazando en la ecuación: 𝑒𝑝 = 𝑒𝑝 = 𝐷𝑂 ∙ 𝑎 ∙ 𝑟𝑒𝑠 𝐷𝐹 ∙ 𝑒𝑣 32.5 mm ∙ 0.2 mm ∙ 0.05 mm 300 mm ∙ 1.95 mm 𝑒𝑝 = 0.55 μm En consecuencia, la incertidumbre por el efecto de paralaje queda de la siguiente manera: 𝑢(𝑒𝑝 ) = 𝑢(𝑒𝑝 ) = 𝑒𝑝 √3 0.55 μm √3 𝑢(𝑒𝑝 ) = 0.32 μm Incertidumbre por planitud en las superficies 𝒖(𝒆𝒑𝒍𝒂 ) Para comprobar el error de planitud, eso se puede realizar con un plano paralelo de planitud igual o mejor a 0.5 m, también se puede realizar con reglas que tengan aristas biseladas o de filo. 16 NOTA: En caso de que no se pueda comprobar el error, ese valor se puede consultar en la siguiente tabla. El error de planitud, de acuerdo a la tabla extraída del documento del CEM [6]; debe ser: Resolución (mm) Error de planitud 𝒆𝒑𝒍𝒂 / 0.01 5 m 0.02 0.05 10 m por cada 100 mm de su longitud 0.1 Tabla 2 Error de planitud Para determinar la incertidumbre por planitud en las superficies 𝑢(𝑒𝑝𝑙𝑎 ) se debe tener en cuenta la planitud de las dos superficies, se trata de una distribución rectangular de semiamplitud y se suman cuadráticamente, de acuerdo al documento del CEM [6]: 𝑢(𝑒𝑝𝑙𝑎 ) = √( 2 𝑒𝑝𝑙𝑎2 2 ) +( ) 2√3 2√3 𝑒𝑝𝑙𝑎1 Si la planitud de las mandíbulas es igual, entonces la incertidumbre por planitud es: 𝑢(𝑒𝑝𝑙𝑎 ) = 𝑒𝑝𝑙𝑎 √6 Continuando el ejemplo como es solamente una mandíbula, la ecuación queda así: 𝑢(𝑒𝑝𝑙𝑎 ) = 𝑢(𝑒𝑝𝑙𝑎 ) = √( 𝑒𝑝𝑙𝑎 2√3 1,5 μm 2 ) + 02 2√3 𝑢(𝑒𝑝𝑙𝑎 ) = 0.43 μm 17 Incertidumbre por falta de paralelismo en las mandíbulas 𝒖(𝒆𝒎 ) El paralelismo se puede comprobar con un bloque patrón, al situarlo en diferentes puntos a lo largo de las mandíbulas; también se puede comprobar con un proyector de perfiles o un sistema óptico de medición. En las siguientes tablas extraídas del documento del CEM [6], se puede observar los errores máximos permitidos, con el fin de saber si el instrumento cumple o no con las especificaciones del fabricante. NOTA: En caso de que no se pueda comprobar el error, este valor se puede consultar en las siguientes tablas. Para pie de rey de exteriores con división de escala de 0,01 mm y 0,02 mm: Longitud de medida (mm) Error máximo permitido de paralelismo (m) 𝒆𝒎 / 0 10 100 10 200 10 300 15 400 15 500 20 Tabla 3. Resolución 0,01 mm y 0,02 mm Para pie de rey de exteriores con división de escala de 0,05 mm y 0,1 mm: Longitud de medida (mm) Error máximo permitido de paralelismo (m) 𝒆𝒎 0 a 135 10 0 a 160 10 0 a 200 10 0 a 250 10 18 Longitud de medida (mm) Error máximo permitido de paralelismo (m) 𝒆𝒎 0 a 300 15 0 a 500 20 0 a 750 20 0 a 1000 20 Tabla 4. Resolución 0,05 mm y 0,1 mm De acuerdo al procedimiento del CEM [6], la incertidumbre por paralelismo de las mordazas, se considera que tiene una distribución normal, con semiamplitud igual a: 𝑢(𝑒𝑚 ) = 𝑢(𝑒𝑚 ) = 𝑒𝑚 2√3 10 μm 2√3 𝑢(𝑒𝑚 ) = 2.89 μm Incertidumbre por coeficiente de expansión térmica del instrumento 𝒖(𝜶𝒊 ) El coeficiente de expansión térmica del instrumento se asume de 11 x 10-6 °C-1, pero como no se conoce exactamente, se tiene una duda de 1 x 10-6 °C-1. Por lo tanto queda de la siguiente manera: 𝑢(𝛼𝑖 ) = 1 ×10−6 °C−1 √3 𝑢(𝛼𝑖 ) = 5.77 × 10−7 °C −1 19 El coeficiente de sensibilidad para esta incertidumbre es 𝑙𝑖𝜃𝑖 : El cambio de temperatura del instrumento y del patrón se va a asumir la misma, ya que, es complicado tener las lecturas independientes de ambos instrumentos. Por eso, es tan importante dejar estabilizar los instrumentos térmicamente. De acuerdo a los datos utilizados para el ejemplo, la temperatura inicial fue de 20.3 °C y la final de 20.5 °C, de estas dos, el promedio es 20.4 °C. 𝜃𝑖 = 20.4 °C − 20 °C 𝜃𝑖 = 0.4 °C El producto 𝑙𝑖𝜃𝑖 queda: 𝑙𝑖𝜃𝑖 = (150 mm)(0.4 °C) 𝑙𝑖𝜃𝑖 = 60000 μm °C El producto 𝑙𝑖𝜃𝑖 𝑢(𝛼𝑖 ) queda: 𝑙𝑖𝜃𝑖 𝑢(𝛼𝑖 ) = 0.035 μm Incertidumbre por temperatura del instrumento 𝒖(𝜽𝒊 ): En esta incertidumbre se incluye la resolución del indicador de temperatura, los valores que tenga el certificado de calibración del mismo y, la variación de temperatura del laboratorio. 𝑟𝑒𝑠𝑡 2 𝑐𝑡 2 𝑡𝑙 2 𝑢(𝜃𝑖 ) = √( ) + ( ) +( ) 𝑘 2√3 √3 Donde 𝑟𝑒𝑠𝑡 Resolución del indicador de temperatura 𝑐𝑡 Incertidumbre que indica el certificado del termómetro 𝑡𝑙 Variación de temperatura del laboratorio 20 0.1 °𝐶 2 0.7 °𝐶 2 1 °𝐶 2 𝑢(𝜃𝑖 ) = √( ) +( ) +( ) 2 2√3 √3 𝑢(𝜃𝑖 ) = √0.0282 + 0.352 + 0.572 𝑢(𝜃𝑖 ) = 0.67 °𝐶 El coeficiente de sensibilidad para esta incertidumbre es 𝑙𝑖𝛼𝑖 : 𝑙𝑖𝛼𝑖 = 150 mm ∙ 11 𝑥 10−6 °C−1 𝑙𝑖𝛼𝑖 = 1.65 μm El producto 𝑙𝑖𝛼𝑖 𝑢(𝜃𝑖 ) queda: 𝑙𝑖𝛼𝑖 𝑢(𝜃𝑖 ) = 1.1 μ𝑚 Incertidumbre por patrón 𝒖(𝒃𝒑) Para la incertidumbre del patrón, se tiene en cuenta el certificado de calibración del bloque y la deriva del mismo la cual se obtiene de los estudios realizados en periodos de tiempo. También se puede usar el límite permisible que indica la norma ISO-3650 en la siguiente tabla. Grado Cambio máximo de longitud permisible por año K ±(0,02 μm + 0,25 ×10−6 ×𝑙𝑛 ) 0 1 ±(0,05 μm + 0,5 ×10−6 ×𝑙𝑛 ) 2 Nota: 𝑙𝑛 es expresado en milímetros Tabla 5. Deriva de los bloques 21 Cuando se utilizan varios patrones, se realiza la suma cuadrática de los bloques, entonces la ecuación queda así: 𝑛 𝑛 𝑖=1 𝑖=1 𝑈𝑐𝑎𝑙 2 𝑑𝑒𝑟𝑖 2 𝑢(𝑏𝑝) = √∑ ( ) +∑( ) 𝑘 √3 Cuando se utiliza el CCH de acuerdo al documento emitido por el CENAM y EMA de México [8], se utilizará la siguiente ecuación: 𝑢(𝑐𝑐) = 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑈𝑝 + 2 𝑘 Esta incertidumbre se extrae del certificado de calibración, para efectos del ejemplo se tiene que, para un bloque de 150 mm la incertidumbre es de 0.25 m y el factor de cobertura k es de 2. 𝑈𝑏𝑙𝑜𝑞𝑢𝑒 2 𝑑𝑒𝑟𝑖 2 √ 𝑢(𝑏𝑝) = ( ) +( ) 𝑘 √3 0.25 μm 2 0,020 μm 2 𝑢(𝑏𝑝) = √( ) +( ) 2 √3 𝑢(𝑏𝑝) = 0.13 μm 22 Incertidumbre por el coeficiente de expansión térmica del patrón 𝒖(𝜶𝒑 ): En el catálogo la mayoría de los bloques tiene especificado dicho coeficiente con un error máximo permitido; para efectos del ejemplo, el bloque tiene un coeficiente de expansión térmica de 11,5 x 10-6 °C-1 0,5 x 10-6 °C-1 Para la incertidumbre 𝑢(𝛼𝑝 ) se toma el valor de variación que indica el manual del fabricante y se divide por √3 𝑢(𝛼𝑝 ) = 0,5 𝑥 10−6 °C −1 √3 𝑢(𝛼𝑝 ) = 2,9 𝑥 10−7 °C −1 El coeficiente de sensibilidad para esta incertidumbre es −𝑏𝑝. 𝜃𝑝 quedando de la siguiente manera: −𝑏𝑝 ∙ 𝜃𝑝 = −150 mm ∙ 0.4 °C El producto 𝑢(𝛼𝑝 )(−𝑏𝑝 ∙ 𝜃𝑝 ) queda: The product 𝑢(𝛼𝑝 )(−𝑏𝑝 ∙ 𝜃𝑝 ) gives: 𝑢(𝛼𝑝 )(−𝑏𝑝 ∙ 𝜃𝑝 ) = −0.017 μm Incertidumbre por temperatura del patrón 𝒖(𝜽𝒑 ) La temperatura del patrón se toma igual a la del pie de rey, debido a que es muy complicado tener la lectura de ambos instrumentos, por lo tanto queda: 𝑟𝑒𝑠𝑡 2 𝑐𝑡 2 𝑡𝑙 2 𝑢(𝜃𝑝 ) = √( ) + ( ) +( ) 𝑘 2√3 √3 23 𝑢(𝜃𝑝 ) = √0.0282 + 0.352 + 0.572 𝑢(𝜃𝑝 ) = 0.67 °C El coeficiente de sensibilidad para esta incertidumbre es (−𝑏𝑝 ∙ 𝛼𝑝 ) quedando así: −𝑏𝑝 ∙ 𝛼𝑝 = −150 𝑚𝑚 ∙ 11.5 𝑥 10−6 °C−1 −𝑏𝑝 ∙ 𝛼𝑝 = −1.7 μm °C−1 El producto 𝑢(𝜃𝑝 )(−𝑏𝑝 ∙ 𝛼𝑝 ) queda: 𝑢(𝜃𝑝 )(−𝑏𝑝 ∙ 𝛼𝑝 ) = −1.15 μm NOTA: En caso que se calibre un pie de rey en unidades diferentes a las del Sistema Internacional de Unidades, el laboratorio debe tener en cuenta la fuente de incertidumbre por redondeo de unidades. Con los resultados de las incertidumbres típicas y sus respectivos coeficientes de sensibilidad se procede a encontrar la incertidumbre combinada 𝑢(𝑥)𝑐 : 𝑢(𝑒)𝑐 = √6.252 + 14.432 + 7.832 + 0.322 + 0.432 + 2.892 + 0.0352 + 1.12 + 0.132 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ +0.0172 + 1.152 𝑢(𝑒)𝑐 = √319.7866 𝑢(𝑒)𝑐 = 17.88 μm 24 Para hallar el porcentaje de aporte de incertidumbre es necesario tomar el valor de cada fuente de incertidumbre y dividirla por la sumatoria cuadrática de todas las fuentes de incertidumbre. A continuación se puede observar el siguiente ejemplo: Se toma la incertidumbre por repetibilidad, se eleva al cuadrado y se divide por la suma de cuadrados de las incertidumbres típicas: %= 6.252 ∙ 100 319.79 % = 12.22 Y así sucesivamente, con el resto de las incertidumbres típicas. Para hallar los grados de libertad se utiliza la ecuación G.3 del anexo G.4 de la JCGM [5]. 1 ∆𝑢(𝑥𝑖 ) −2 𝑣𝑖 ≈ [ ] 2 𝑢(𝑥𝑖 ) Ejemplo: Se tiene una fuente de incertidumbre con una duda del 10%. Remplazando en la ecuación queda: 1 𝑣𝑖 ≈ [0.1]−2 2 𝑣𝑖 ≈ 50 Lo cual, da como resultado 50 grados de libertad. Para hallar el factor de cobertura k es necesario encontrar los grados efectivos de libertad. Para esto se utiliza la fórmula G.2b de la JCGM [5] del anexo G.4. 𝑣𝑒𝑓𝑓 = 𝑢𝑐4 (𝑦) 𝑢𝑖4 (𝑥) ∑𝑁 𝑖=1 𝑣 𝑖 25 𝑣𝑒𝑓𝑓 18.564 = 6.254 14.434 7.834 0.324 0.434 2.894 0.0354 1.14 0.134 0.0174 1.154 7 + ∞ + 50 + 50 + 50 + 200 + 50 + 50 + 200 + 50 + 50 𝑣𝑒𝑓𝑓 = 404.21 Con ese valor se puede buscar en la tabla T de Student. Para el caso, dicho valor es mayor a 100 lo cual da un k de 2 para un 95,45% de nivel de confianza. Entonces, tome la incertidumbre combinada y multiplíquela por el k para hallar la incertidumbre expandida U 𝑈 = 𝑢(𝑥)𝑐 ∙ 𝑘 𝑈 = 17.88 μm ∙ 2 𝑈 ≈ 36 μm 26 Fuente de incertidumbre por Repetibilidad Incertidumbre típica 𝑢(𝑟𝑒𝑝) = Resolución 𝑢(𝑟𝑒𝑠) = Abbe Planitud de superficies Efecto de paralelismo mandíbulas Coeficiente de expansión térmica del pie de rey Temperatura del instrumento Patrón 𝑠𝑝 A Coeficiente de sensibilidad 1 Contribución % de aporte 6.25 μ𝑚 Grados de libertad 7 √𝑛 𝑟𝑒𝑠 B 1 14.43 μm ∞ 65.1 B 1 7.83 μm 50 19.2 B 1 0.32 𝜇𝑚 50 0 B 1 0.43 μm 50 0.1 B 1 2.89 μm 200 2.6 B 𝑙𝑖𝜃𝑖 0.035 μm 50 0 B 𝑙𝑖𝛼𝑖 50 0,4 B 1 0.13 μm 200 0 B −𝑏𝑝. 𝜃𝑝 −0.017 μm 50 0 B −𝑏𝑝. 𝛼𝑝 1.15 μm 50 0.4 12.2 2√3 𝑢(𝑒𝑎𝑏𝑏 ) = Paralaje Tipo de dist. 𝑢(𝑒𝑝 ) = 𝑒𝑎 2√ 3 𝑒𝑝 √3 𝑢(𝑒𝑝𝑙𝑎 ) 𝑒𝑝𝑙𝑎1 2 𝑒𝑝𝑙𝑎2 2 = √( ) +( ) 2√3 2√3 𝑢(𝑒𝑚 ) = 𝑢(𝛼𝑖 ) = 𝑒𝑚 2√3 1 𝑥 10−6 °C −1 √3 𝑢(𝜃𝑖 ) 2 2 2 𝑟𝑒𝑠𝑡 𝑐𝑡 𝑡𝑙 = √( ) +( ) +( ) 𝑘 2√3 √3 𝑢(𝑏𝑝) 𝑛 𝑛 𝑖=1 𝑖=1 1.1 μm 𝑈𝑐𝑎𝑙 2 𝑑𝑒𝑟𝑖 2 = √∑ ( ) +∑( ) 𝑘 √3 Coeficiente de expansión térmica del patrón Temperatura del patrón 𝑢(𝛼) = 0,5 × 10−6 °C −1 √3 𝑢(𝜃𝑝 ) 𝑟𝑒𝑠𝑡 2 𝑐𝑡 2 𝑡𝑙 2 = √( ) +( ) +( ) 𝑘 2√3 √3 27 𝒖𝒄 (𝒙) 𝑼 17.88 μm 𝟑𝟔 𝛍𝐦 Tabla 6 Presupuesto de incertidumbres 9. Referencias. [1] Vocabulario Internacional de Metrología. Conceptos fundamentales y generales, y términos asociados. 3ª edición en español. Centro Español de Metrología 2012. NIPO: 074-13-0041 (Edición Digital) [2] Norma Técnica Colombiana NTC 4303 1997-11-26. Pie de rey. [3] Incertidumbre en la Calibración de Calibradores Tipo Vernier. Centro Nacional de Metrología CENAM.2001 Héctor González Muñoz. [4] Instructivo Elaboración de Documentos. Instituto Nacional de Metrología de Colombia. [5] JCGM 100:2008, Evaluación de datos de medición – Guía para la Expresión de la Incertidumbre de Medida. Edición digital 1 en español (traducción 1ª Ed. Sept. 2008). Centro Español de Metrología CEM. NIPO Edición digital 1: 706-10-001-0 [6] CEM Procedimiento DI-008 para la calibración de pies de rey. Centro Español de Metrología [7] Catálogo No E2012 de Mitutoyo. Instrumentos de medición. [8] Guía Técnica de Trazabilidad Metrológica e Incertidumbre de Medida en Metrología Dimensional. CENAM Centro Nacional de Metrología de México – EMA Entidad Mexicana de Acreditación, A.C. Diciembre 2013 10. Anexos. 10.1. FORMA DE CALIBRAR PIE DE REY DE EXTERIORES Después de que se hayan estabilizado tanto los patrones como el instrumento, colóquese los guantes. Registre la temperatura inicial. Tome el bloque patrón, colóquelo sobre el mármol o mesa de planitud con una leve inclinación, tal como se observa en las figura 11. 28 Figura 6. Forma de calibrar exteriores También se puede realizar con el CCH siguiendo las instrucciones del fabricante. 10.2. FORMA DE CALIBRAR PIE DE REY INTERIORES Para calibrar un pie de rey de interiores, ponga el anillo patrón sobre el mármol, invierta el pie de rey y tome la medida, como lo enseña la figura 12. Figura 7. Calibración de interiores 29 Cuando se calibre las mandíbulas internas con anillos patrón, es necesario tener en cuenta el error por las mandíbulas, el cual, se puede observar en la figura extraída del catálogo de Mitutoyo [7] Figura 8. Error por las mandíbulas internas. (Diagrama extraído del catálogo de Mitutoyo [7]) Para encontrar ∆𝑑 a continuación se realiza el desarrollo: Figura 9. Diagrama del error de las mandíbulas interiores 30 Donde: ∅𝐷 Es el diámetro nominal del anillo patrón 𝐻 Es el ancho que puede tener las dos mandíbulas mostradas en la tabla de la figura 14 ∅𝑑 Es el diámetro que indica el pie de rey ∆𝑑 Es la diferencia de diámetros o el error al tomar el diámetro ∆𝑑 = √∅𝐷2 − ∅𝑑2 La estimación de la incertidumbre por error de las mandíbulas interiores queda: 𝑢(∆𝑑) = ∆𝑑 2√3 Otra forma de calibrar las mandíbulas internas es, realizar el montaje de un accesorio, como se observa en las siguientes figura 15 y 16. Figura 10. Accesorio para calibración de interiores 31 Figura 11. Accesorio para calibración de interiores Para los pies de rey tipo B (Figura 3), tipo D (Figura 5) y tipo E (Figura 6) en las mandíbulas para interiores, con superficies redondeadas, la calibración se realiza con anillos patrón, como se muestra en la figura siguiente. Figura 12. Calibración con anillos patrón 32 O se realiza con el juego de accesorios, como se observa en la figura siguiente. Figura 13. Calibración con el accesorio para bloques. En este tipo de pie de rey es importante tener en cuenta la longitud del ancho combinado como se observa en la figura 19. Figura 14. Ancho combinado AC 33 Dicha longitud se deberá medir varias veces, puede ser con un micrómetro, con una máquina de tres coordenadas o con una máquina de una coordenada; de los resultados saque el promedio, el cual, no debe sobrepasar los límites especificados en la siguiente tabla, extraída de documento del CEM [6]: Resolución (mm) 0,01 y 0,02 0,05 y 0,1 Errores permitidos para el ancho combinado AC / 0 a +10 m 0 a + 30 m Tabla 7. Errores permitidos para el ancho combinado AC NOTA: La incertidumbre de este error debe sumarse a las otras fuentes de incertidumbre; para dicha incertidumbre se debe tener en cuenta la incertidumbre por repetibilidad de las mediciones y la declarada en el certificado de calibración del instrumento, con que se midió la longitud AC. 10.3. Forma de calibrar la barra de profundidad y el profundímetro Para la barra de profundidad, se ubican dos bloques patrón sobre el mármol o mesa de planitud, de la misma longitud nominal y, se apoya la superficie fija sobre los bloques y la superficie de medición sobre el mármol o mesa de planitud, como se observa en la figura 20 y 21. Figura 15. Calibración de barra de profundidad. 34 NOTA: Para estimar la incertidumbre de la barra de profundidad se deben tener en cuenta las mismas incertidumbres que para exteriores, excepto la incertidumbre por paralelismo en las mandíbulas, por planitud de la superficie de medición y por el error de Abbe. Figura 16. Calibración profundímetro. NOTA: Para la estimación de incertidumbre de un profundímetro, se deben tener en cuenta las mismas incertidumbres que para las exteriores, con la excepción de la incertidumbre por paralelismo en las mandíbulas y el error de Abbe. 35
