INTRODUCCIÓN N A LA METROLOGÍA Curso Académico

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1 INTRODUCCIÓN N A LA METROLOGÍA Curso Académico Rafael Muñoz Bueno Laboratorio de Metrología a y Metrotecnia LMM-ETSII ETSII-UPM

2 TEMA 1. Introducción TEMA 1. Introducción Índice 1. Antecedentes históricos de la metrología 2. Organización de la metrología 3. División de la metrología y sus campos de aplicación 4. Impacto social de la metrología

3 Antecedentes históricos (i) Antecedentes históricos (i) A aquellos que olvidaban su deber de calibrar el patrón de longitud las noches de luna llena se les aplicaba la pena de muerte. Tal era el castigo derivado de la norma establecida por el grupo de arquitectos reales, responsables de la construcción de templos y pirámides en el antiguo Egipto de los Faraones, 3000 años a.c.. PRIMER PATRÓN DE LONGITUD: El codo real Distancia del codo de faraón hasta el extremo del dedo medio con el brazo extendido más la anchura de la mano. La medida original fue materializada en granito negro. En los lugares de construcción, los trabajadores poseían copias en granito o madera, siendo responsabilidad de los arquitectos su mantenimiento.

4 Antecedentes históricos (ii) Antecedentes históricos (ii) 3000 a.c. Empleo del codo egipcio y mesopotámico. 240 a.c. Determinación del meridiano terrestre por Eratóstenes, en Alejandría Eduardo I decreta que 3 granos redondos de cebada hacen 1 pulgada, 12 pulgadas 1 pie, 3 pies 1 ulna, 5,5 ulnas 1 vara y 40 varas en longitud y cuatro en ancho 1 acre La yarda de Elizabeth I, en latón y de sección cuadrada, en uso hasta 1824 con un error de 0,01 pulgadas respecto a la actual Construcción en Inglaterra de dos barras de 42 x 0,5 x 0,25, con la palabra yarda grabada sobre su superficie Una Comisión de la Academia Francesa elige el cuadrante de meridiano terrestre como base para el patrón de longitud Metro de los Archivos, realizado en platino, de sección (25,3 x 4) mm 2, construido y ajustado por Janetti para materializar 1/ del cuadrante de meridiano.

5 Antecedentes históricos (iii):españa Antecedentes históricos (iii):españa 197 a.c. Los romanos imponen su sistema de medida en la península Ibérica Medidas de longitud: pulgada, pie, paso, decempeda, milla Medidas de volumen: el ánfora o pié cúbico Medidas de peso: la libra (peso de media ánfora de agua) Visigodos Mantienen el sistema romano e imponen su obligado cumplimiento (primeras leyes metrológicas en la península Ibérica). Siglo V Bajo la dominación árabe se generan los principales avances tecnológicos del Medioevo: NECESIDAD DE MEDICIÓN: sistema árabe complejo El Zéreth pik belady: que conduciría al pié de Burgos o Español (0,2786 m) El codo belady, equivalente al después llamado codo de ribera (0,5775 m) La fanega y celemín (nombre que denotan su origen árabe). La fanega de Burgos equivale a un pié cúbico y es el dozavo del cahíz,cafiz o arbal. El cafiz o garibe que se usó en España para la medida de granos (660 l) equivale a 10 atarbes o doble cafiz de Mahoma. El deu árabe (medida de líquidos) (258,19 l) equivalente al moyo de Valladolid (con 16 cántaras o 128 azumbres y 512 cuartillos).

6 Antecedentes históricos (iv):españa Antecedentes históricos (iv):españa Siglo XVI En época del Rey Fernando VI se observan imperfecciones en el patrón original de la Vara de Burgos y sus copias o modelos autorizados, lo que motivó la Real Resolución de Fernando VI sobre el uso de un nuevo patrón de la Vara de Burgos. A partir de este hecho los nuevos patrones en España fueron los siguientes: Medidas de longitud: la Vara de Burgos, archivada en la Ciudad de Burgos. Medidas de capacidad: la media fanega, archivada en Ávila. Medida de volumen: el cuartillo, archivado en Toledo. Para pesos: el marco, archivado en el Consejo de Castilla.

7 Antecedentes históricos (v) Antecedentes históricos (v) Desde la antigüedad, existe una necesidad de medir TRANSACCIONES COMERCIALES Unidades de medida y patrones empleados ligados a la ubicación geográfica EXPANSIÓN DE LA ACTIVIDAD COMERCIAL EQUIVALENCIA de patrones empleados UNIVERSALIZACIÓN tanto de las unidades como de los métodos de medida Convención del Metro (1.875): Sistema Metrológico Internacional

8 Antecedentes históricos (vi) Antecedentes históricos (vi) 1875: Se crea la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) que se instaló en Sèvres (Paris), y cuya actividad está supervisada por la Comisión Internacional de Pesas y Medidas (CIPM). El conjunto es dirigido por la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM). 1889: La CGPM aprueba las nuevas definiciones del metro y el kilogramo, materializadas en platino e iridio, y depositados en el BIPM. 1892: Depósito de las copias españolas del nuevo metro y kilogramo en los locales de la Comisión Permanente de Pesas y Medidas, en la sede del Instituto Geográfico y Estadístico, declarándose legales para España mediante ley de 8 de julio de 1892.

9 Definición de Metrología Definición de Metrología METROLOGÍA, del griego µετρoν (medida) y λoγoς (tratado): Es la ciencia de la medida, está presente en todos los campos de actividad de la investigación y el desarrollo y cubre tres actividades principales: Definición de las unidades de medida internacionalmente aceptadas Realización de las unidades de medida por métodos científicos Establecimiento de las cadenas de trazabilidad. CODO EGIPCIO (3000 a.c.)

10 Definición de Patrón Definición de Patrón Un patrón de medida es una medida materializada, un instrumento de medida, un material de referencia o un sistema de medida concebido para definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o uno o más valores de una magnitud, de modo que sirvan de referencia. Ejemplo: El codo real en el Egipto de los Faraones (3000 a.c.) se definía como la distancia del codo del faraón hasta el extremo del dedo medio con el brazo extendido más la anchura de la mano. Se materializaba en granito negro.

11 Organización de la Metrología (i) Organización de la Metrología (i) Las realizaciones prácticas de las unidades de medida (patrones nacionales) se mantienen en los Institutos Nacionales de Metrología (INM), desde donde se diseminan para dotar de trazabilidad al resto de usuarios de la metrología. El CIPM, coordina el conjunto de los INM. Existe un laboratorio más especial que los demás, el BIPM, fundado a raíz de la Convención del Metro, que sirve de laboratorio mundial de referencia en determinadas magnitudes y está constituido por numerosos comités consultivos en diferentes campos de la metrología a nivel internacional.

12 Organización de la Metrología (ii) Organización de la Metrología (ii) La Convención del metro Convención internacional establecida en 1875, 51 miembros en 2003 CGPM, Conferencia general de pesas y medidas Comité con representantes de los Estados Miembros de la Convención del Metro Aprueba y actualiza el SI de medidas a partir de los resultados en investigación metrológica CIPM, Comité Internacional pesas y medidas Supervisa al BIPM Aprueba y proporciona los presidentes de los Comités Consultivos. BIPM, Bureau Internacional de Pesas y Medidas I+D internacional en patrones y magnitudes de medida Administra comparaciones entre INM Comités Consultivos CCAUV: Acústica CCEM: Electricidad y magnetismo CCL: Longitud CCM: Masa CCPR: Fotometría CCQM: Cantidad de sustancia CCRI: Radiaciones ionizantes CCT: Termometría CCTF: Tiempo y frecuencia CCU: Unidades

13 Organización de la Metrología (iii) Organización de la Metrología (iii) La Metrología está estructurada, a nivel mundial, en Organizaciones Metrológicas Regionales (OMR) compuestas por los distintos INM radicados en los países que la forman. Acuerdo Mutuo de Reconocimiento del CIPM (ARM), firmado por los directores de los INM miembros de la Convención del Metro en el año 1999.

14 Organización de la Metrología (iv) Organización de la Metrología (iv) Institutos Nacionales de Metrología, INMs Patrones nacionales de medida Comparaciones clave Capacidades de medida y calibración Sistemas de calidad Comparaciones suplementarias COMITÉS CONSULTIVOS OMR BIPM Resultados COMITÉS CONSULTIVOS Grados de equivalencia ACUERDO DE RECONOCIMIENTO MUTUO (ARM) ANEXO B OMR Envío para aprobación Resultados JCRB Comité conjunto OMR-BIPM Capacidades de medida y calibración ACUERDO DE RECONOCIMIENTO MUTUO (ARM) ANEXO C BASES DE DATOS DE COMPARACIONES CLAVE

15 División de la Metrología División de la Metrología La Metrología suele considerarse dividida en tres categorías, cada una de ellas con diferentes niveles de complejidad y exactitud: Metrología Científica se ocupa de la organización y el desarrollo de los patrones de medida y de su mantenimiento (el nivel más alto). Metrología Industrial debe asegurar el adecuado funcionamiento de los instrumentos de medida empleados en la industria y en los procesos de producción y verificación. Metrología legal se ocupa de aquellas mediciones que influyen sobre la transparencia de las transacciones económicas, la salud y la seguridad de los ciudadanos.

16 Metrología científica e industrial (i) Metrología científica e industrial (i) La metrología científica e industrial está dividida, según el BIPM, en 9 campos: 1. Masa y magnitudes relacionadas 2. Electricidad y magnetismo 3. Longitud 4. Tiempo y frecuencia 5. Termometría 6. Radiaciones ionizantes y radiactividad 7. Fotometría y radiometría 8. Acústica 9. Cantidad de sustancia EURAMET considera además dos campos adicionales: Flujo (técnico) y Metrología Interdisciplinar (no técnico).

17 Metrología científica e industrial (ii): Campos metrológicos (i) Metrología científica e industrial (ii): Campos metrológicos (i) CAMPO TEMÁTICO SUBCAMPO Patrones e instrumentos destacables MASA y magnitudes relacionadas Medición de masas Fuerza y presión Volumen y densidad Masas y balanzas patrón, células de carga, verificadores de pesos muertos, máquinas de fuerza, viscosímetros ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO Corriente alterna Corriente continua Alta frecuencia Alta tensión e intensidad Efectos Josephson y Hall cuántico, convertidores alternacontinua, condensadores patrón, convertidores térmicos, calorímetros, fuentes de referencia de alta tensión LONGITUD Interferometría Metrología dimensional Mediciones angulares Control de formas Calidad superficial Sistemas interferométricos, láser de medida, bloques patrón, columnas de bloques escalonados, patrones de diámetro interior y exterior, microscopios de medida, vidrios de planitud, MMC, defectos de forma, polígonos ópticos, patrones de rugosidad y de escalón

18 Metrología científica e industrial (iii): Campos metrológicos (ii) Metrología científica e industrial (iii): Campos metrológicos (ii) CAMPO TEMÁTICO SUBCAMPO Patrones e instrumentos destacables TIEMPO Y FRECUENCIA Medida del tiempo Frecuencia Reloj atómico de Cesio, equipos para medir intervalos de tiempo, relojes y fuentes atómicas, osciladores de cuarzo, láseres, contadores y sintetizadores electrónicos. TERMOMETRÍA Medición de T por contacto Medición de T sin contacto Humedad Termómetros de gas y de resistencia, termopares, cuerpos negros de alta temperatura, radiómetros criogénicos, pirómetros, fotodiodos de Silicio, generadores dobles de presión/temperatura y humedad RADIACIONES IONIZANTES y RADIACTIVIDAD Dosis absorbida Productos industriales de alto nivel Dosis absorbida Productos médicos Protección radiactiva Radiactividad Calorímetros, cavidades calibradas de alta tasa, dosímetros dicromáticos, calorímetros, cámaras de ionización, cámaras de ionización, campos/haces radiactivos de referencia, contadores de tipo proporcional y otros, TEPC, espectrómetros neutrónicos de Bonner

19 Metrología científica e industrial (iv): Campos metrológicos (iii) Metrología científica e industrial (iv): Campos metrológicos (iii) CAMPO TEMÁTICO SUBCAMPO Patrones e instrumentos destacables FOTOMETRÍA Y RADIOMETRÍA ACÚSTICA Radiometría óptica Fotometría Colorimetría Fibras ópticas Medición acústica en gases Acelerometría Medición acústica en líquidos Ultrasonidos Radiómetros criogénicos, detectores, fuentes láser estabilizadas de referencia,, detectores en la región visible, fotodiodos de silicio, detectores de eficiencia cuántica, espectrofotómetros, materiales de referencia fibras de Au Acelerómetros, transductores de fuerza, vibradores, interferómetros láser, hidrófonos, medidores de frecuencia ultrasónica, balance de fuerza de radiación,

20 Metrología científica e industrial (v): Campos metrológicos (iv) Metrología científica e industrial (v): Campos metrológicos (iv) CAMPO TEMÁTICO SUBCAMPO Patrones e instrumentos destacables CANTIDAD de SUSTANCIA FLUJO Química medioambiental Química clínica Química de materiales Química en alimentación Bioquímica Microbiología Medición de ph Caudal de gas (volumen) Caudal de agua (volumen, masa y energía) Caudal de líquidos distintos del agua Anemometría Gasómetros de campana, contadores rotativos de gas, contadores de turbina, contadores de transferencia con toberas críticas, patrones de volumen, patrones de efecto Coriolis, medidores de nivel, medidores inductivos de flujo, medidores ultrasónicos de flujo, anemómetros Materiales de referencia certificados, espectrómetros de masas, cromatógrafos, materiales puros, materiales de referencia certificados, Materiales de referencia certificados

21 Metrología legal (i) Metrología legal (i) La metrología legal tiene su origen en la necesidad de asegurar un comercio limpio, específicamente en el área de lo históricamente conocido como pesas y medidas. La metrología legal se ocupa en primera instancia de los instrumentos de medida que deben ser controlados legalmente. El principal objetivo de la metrología legal es garantizar a los ciudadanos que los resultados de medida son correctos, cuando se utilizan En las transacciones oficiales y comerciales. En los ámbitos del trabajo, la salud y la seguridad.

22 Metrología legal (ii) Metrología legal (ii) En el campo de la metrología legal, los usuarios de los resultados de medida no tienen por qué ser expertos en metrología. El Gobierno es quien asume la responsabilidad sobre la fiabilidad de tales mediciones. Los instrumentos legalmente controlados deben garantizar resultados de medida correctos: en las condiciones de uso durante todo el periodo de utilización dentro de los errores permitidos. La legislación contempla requisitos aplicables tanto a los instrumentos de medida como a los métodos de medición y ensayo, e incluso a los productos preenvasados.

23 Metrología legal (iii) Metrología legal (iii) Legislación sobre instrumentos de medida: En Europa, la armonización de los instrumentos de medida sometidos a control legal se basa en la Directiva 71/316/EEC, la cual establece requisitos para todas las categorías de instrumentos de medida: - MI-001: contadores de agua - MI-002: contadores de gas - MI-003: contadores de energía eléctrica - MI-004: contadores de energía térmica - MI-005: sistemas de medida para líquidos distintos del agua - MI-006: instrumentos de pesaje automático - MI-007: taxímetros - MI-008: medidas materializadas de longitud - MI-009: sistemas de medición dimensional - MI-010: analizadores de gases de escape Control legal: Antes de la comercialización de los instrumentos se toman medidas preventivas: - aprobación de modelo: Realizada por un organismo competente autorizado. - verificación de los instrumentos: En el caso de fabricación en serie. Vigilancia de mercado: Detectar un uso ilegal o fraudulento de los instrumentos de medida. Para los instrumentos ya en uso se prescriben inspecciones o verificaciones periódicas.

24 Metrología legal (iv): La OIML (i) Metrología legal (iv): La OIML (i) La OIML es la Organización Internacional de Metrología Legal. La OIML colabora con la Convención del Metro y con el BIPM en la armonización internacional de la metrología legal. La OIML desarrolla reglamentos-tipo y publica recomendaciones internacionales, dotando así a los miembros de una base internacionalmente aceptada para el establecimiento de legislación nacional sobre categorías variadas de instrumentos de medida. Los requisitos técnicos de la Directiva Europea sobre Instrumentos de Medida (MID) son en su mayor parte equivalentes a las Recomendaciones Internacionales de la OIML. Los principales apartados de las Recomendaciones Internacionales OIML son: - campo, aplicación y terminología - requisitos metrológicos - requisitos técnicos - métodos y equipamiento para el ensayo y la verificación de la conformidad con los requisitos - formato de informe de ensayo

25 Metrología legal (v): La OIML (ii) Metrología legal (v): La OIML (ii) El Sistema de Certificación OIML proporciona a los fabricantes la posibilidad de obtener Certificados e Informes de Ensayo OIML que indiquen que un instrumento dado cumple los requerimientos de las Recomendaciones Internacionales OIML relevantes. Los Certificados son expedidos por los estados miembros de la OIML que tienen establecidas una o más Autoridades emisoras responsables de procesar las solicitudes de los fabricantes que desean certificar sus modelos de instrumentos. Estos certificados son voluntariamente aceptados por los servicios nacionales de metrología.

26 Estructura metrológica en España (i) Estructura metrológica en España (i) Institutos Nacionales de Metrología, INM: Un Instituto Nacional de Metrología es un instituto designado por decisión oficial para desarrollar y mantener los patrones nacionales de medida, de una o más magnitudes. El Centro Español de Metrología, CEM: Es el INM español y representa internacionalmente a España ante los institutos metrológicos nacionales de otros países, las Organizaciones Metrológicas Regionales y el BIPM. En España, las realizaciones prácticas de las unidades de medida (patrones nacionales) y su diseminación al resto de usuarios de la metrología se realiza por el Centro Español de Metrología y sus Laboratorios Asociados, constituyendo por tanto la cúspide de la pirámide metrológica en España.

27 Estructura metrológica en España (ii) Estructura metrológica en España (ii) CEM MÁXIMA AUTORIDAD Longitud, Masa, Electricidad y Temperatura LABORATORIOS ASOCIADOS DESIGNADOS POR EL CEM ISCIII CIEMAT LCOE ROA IFA TPYCEA INTA Ozono Radiaciones ionizantes Electricidad (alta tensión) Tiempo Frecuencia Fotometría Radiometría Atenuación Humedad Radiofrecuencia LABORATORIOS DE CALIBRACIÓN (Acreditados por ENAC) LABORATORIOS DE EMPRESAS Y CENTROS DE I+D LABORATORIOS DE ENSAYO (Acreditados por ENAC) INDUSTRIA MERCADO CENTROS DE I+D LABS METROL. LEGAL

28 Estructura metrológica INTEGRAL Estructura metrológica INTEGRAL BIPM DEFINICIÓN DE LA UNIDAD INMs y LL.AA. PATRONES NACIONALES EXTRANJEROS PATRONES PRIMARIOS NACIONALES Laboratorios de calibración normalmente acreditados. PATRONES DE REFERENCIA Empresas PATRONES INDUSTRIALES Usuarios finales MEDICIONES

29 Impacto social de la metrología (i) Impacto social de la metrología (i) Evaluaremos el impacto que tiene la metrología sobre los siguientes campos de la sociedad: Impacto Económico, Comercio, Salud, Defensa y Seguridad, Medio Ambiente, y Desarrollo Industrial. Impacto Económico de la Metrología La implicación económica de la metrología en nuestra sociedad es un factor muy a tener en cuenta. En los países industrializados se estima que las medidas tienen un coste equivalente en sus economías de más del 1% del PIB y un retorno equivalente entre el 2% y el 7% del PIB, por lo que la metrología supone una parte vital de la actividad diaria de la sociedad El éxito económico de las naciones depende de su habilidad para fabricar y comercializar productos y componentes hechos con exactitud y, consecuentemente, con calidad.

30 Impacto social de la metrología (ii) Impacto social de la metrología (ii) Impacto de la metrología sobre el comercio La metrología afecta al comercio desde el minorista hasta el mayorista y desde el comercio nacional hasta el comercio internacional. Los intereses contrapuestos entre comprador y vendedor justifican plenamente la regulación (METROLOGÍA LEGAL), la unificación de las unidades de medida y la exactitud de las mismas. Una buena aplicación de la metrología favorece el principio de competitividad y fomenta la ética entre las transacciones. En este aspecto es de especial relevancia la cobertura que aportan los acuerdos de reconocimiento mutuo (ARM), tanto a nivel de los Institutos Nacionales de Metrología (INM) como de los laboratorios de ensayo y calibración que contribuyan a eliminar posibles barreras técnicas. METROLOGÍA Protección en transacciones comerciales basadas en medidas

31 Impacto social de la metrología (iii) Impacto social de la metrología (iii) Impacto de la metrología sobre la salud Las medidas en el campo de la salud son un instrumento básico para la calidad de vida, incluso para la vida o muerte de los ciudadanos los profesionales de la salud utilizan los instrumentos de medida como una herramienta, pero no son expertos en los mismos, por lo que la metrología debe garantizarles que las medidas que se obtengan con ellos sean fiables y exactas, dado que no disponen ni de medios ni de conocimientos para contrastarlas. MILES DE PACIENTES CON CÁNCER HAN SIDO TRATADOS CON ÉXITO CADA AÑO POR MEDIO DE UNA RADIOTERAPIA METROLÓGICAMENTE EXACTA

32 Impacto social de la metrología (iv) Impacto social de la metrología (iv) Impacto de la metrología sobre la seguridad (i) CIRCULACIÓN DE LOS VEHÍCULOS AUTOMÓVILES: Manómetros para el inflado de los neumáticos, frenómetros, etc. Instrumentos utilizados por las autoridades públicas: etilómetros, y cinemómetros SEGURIDAD E HIGIENE EN EL TRABAJO: La seguridad e higiene en el trabajo de los trabajadores dependen de las medidas realizadas por instrumentos de medida, como pueden ser la medida de parámetros de confort y estrés (niveles de ruido, temperatura, radiación, etc.). FRONTERAS Y LUCHA ANTIDROGA: Se requieren instrumentos de medida exactos con trazabilidad adecuada para garantizar la correcta aplicación de la ley.

33 Impacto social de la metrología (vi) Impacto social de la metrología (vi) Impacto de la metrología sobre el medio ambiente (i) Los instrumentos de medida utilizados para evaluar los niveles de algunos contaminantes están sometidos a la Metrología Legal, como es el caso de los analizadores de gases de escape de los vehículos, opacímetros y sonómetros. Otros instrumentos de medida como los utilizados en la evaluación de los niveles de contaminantes atmosféricos en emisión o en aire ambiente, de las concentraciones de contaminantes en aguas, suelos, etc. no están sometidos a la Metrología Legal. Si bien, en la mayoría de los casos, está establecida en la reglamentación nacional la metodología de medida: (exactitud, incertidumbre, etc.), lo que garantiza la trazabilidad. Las medidas realizadas por estos instrumentos son a veces de naturaleza compleja, implicando metrología basada tanto en principios físicos como químicos. Los resultados de la medida en este ámbito pueden tener consecuencias muy importantes a nivel social y económico.

34 Impacto social de la metrología (vii) Impacto social de la metrología (vii) Impacto de la metrología sobre la industria (i) El desarrollo de la actividad científica y tecnológica (industrial) demanda patrones y métodos de medida cada vez más precisos, en un amplio y creciente rango de medidas y magnitudes. La Metrología es esencial en la investigación científica (la experimentación requiere medición) y la investigación científica es la base del desarrollo de la propia metrología. Aquellos campos de la metrología de mayor desarrollo, son los que aportan más y mejores soluciones a la investigación y a la industria. Mediciones erróneas o inadecuadas pueden conducir a decisiones erróneas que pueden tener serias consecuencias, costando dinero e incluso vidas.

35 Impacto social de la metrología (vii) Impacto social de la metrología (vii) Impacto de la metrología sobre la industria (ii) La metrología es una herramienta que protege a la industria de medidas incorrectas y promueve la calidad, el desarrollo de los productos y la industria, así como la competitividad en los mercados. Los instrumentos de medición sirven para determinar las propiedades de los componentes y de los productos terminados y se emplean cada vez más también para controlar, regular, automatizar y supervisar procesos. Se emplean mediciones para verificar las tolerancias de fabricación y la operatividad funcional de los productos. Hoy en día, las mediciones son un componente importante del aseguramiento de la calidad.