Introducción a la metrología

Introducción a la Metrología

La percepción inicial de metrología deriva de su etimología: del griego “metros” medida y “logos” tratado. La metrología es la ciencia de la medición y se basa en la comparación con unidades establecidas. Su objetivo es proporcionar mediciones precisas y confiables, esenciales para la industria, la ciencia y la vida cotidiana. El Sistema Internacional de Unidades (SI) establece las 7 magnitudes fundamentales o unidades básicas, como por ejemplo el metro para la longitud y el kilogramo para la masa, además de magnitudes derivadas obtenidas a partir de estas. Para facilitar su uso en distintas escalas, el SI emplea múltiplos y submúltiplos basados en potencias de diez, lo que simplifica los cálculos y la comunicación de resultados.

Las mediciones requieren de unidades y patrones. Antiguamente, un patrón era una referencia física o material utilizada para garantizar la exactitud de una unidad de medida, como la barra de platino-iridio que representaba el metro. Con el tiempo, los avances científicos han permitido definir las unidades en función de constantes físicas universales, como por ejemplo se ha definido a la velocidad de la luz en el vacío para el metro. Esto ha mejorado la estabilidad y la precisión de las mediciones, eliminando la dependencia de objetos físicos que pueden degradarse con el tiempo.

El proceso de medición sigue un procedimiento estandarizado para garantizar resultados reproducibles. Primero, se define qué se va a medir y se selecciona la unidad adecuada. Luego, se elige un instrumento de medición idóneo y calibrado para asegurar su exactitud y precisión. Finalmente, se aplica un procedimiento establecido, que puede incluir condiciones controladas de temperatura y presión para evitar errores. Este enfoque estructurado permite obtener datos confiables y comparables en cualquier contexto.

La metrología juega un papel crucial en la industria, la investigación y la vida cotidiana. Durante la Revolución Industrial, su importancia creció debido a la necesidad de fabricar piezas intercambiables con tolerancias estrictas. Hoy, la metrología es indispensable en áreas como la salud, donde garantiza la precisión de equipos médicos como los termómetros y los escáneres de resonancia magnética; en la energía, donde asegura la medición exacta del consumo eléctrico; y en el comercio, donde evita fraudes mediante la regulación de balanzas y surtidores de combustible.

En ingeniería, las mediciones son esenciales para el diseño, la verificación y el mantenimiento de sistemas y productos. Por ejemplo, en la industria aeroespacial, los componentes de un avión deben ser fabricados con tolerancias extremadamente pequeñas para garantizar su seguridad y eficiencia. Sin mediciones precisas, sería imposible comprobar que cada parte cumple con los requisitos de diseño, lo que podría comprometer la calidad del producto final. Además, la metrología permite realizar análisis de desempeño y optimizar procesos para reducir costos y mejorar la funcionalidad de los sistemas.

El control de calidad en la producción industrial depende de mediciones confiables. La metrología se integra en los procesos de manufactura para garantizar que los productos cumplan con especificaciones exactas, reduciendo desperdicios y mejorando la confiabilidad. Un ejemplo es la industria automotriz, donde cada pieza debe cumplir con estándares estrictos para ensamblarse correctamente y garantizar la seguridad del vehículo. En un mercado globalizado, donde la competencia es alta, la precisión en la manufactura es clave para la sostenibilidad económica y el cumplimiento de regulaciones internacionales.

La metrología se divide en tres ramas principales: científica, industrial y legal. La metrología científica se centra en el desarrollo de nuevas técnicas de medición y en la mejora de la exactitud de las unidades fundamentales. Es la base de todas las mediciones y se dedica al desarrollo y perfeccionamiento de las unidades de medida, su trazabilidad y la reducción de incertidumbre en los procesos de medición. Su principal objetivo es garantizar que todas las mediciones sean consistentes y comparables a nivel internacional. Para ello, se apoya en laboratorios de referencia y en la investigación de métodos innovadores, como la medición a nivel cuántico o la utilización de relojes atómicos para definir con mayor exactitud el segundo. Además, esta rama de la metrología es fundamental en campos como la física de partículas, la nanotecnología y la exploración espacial, donde la precisión extrema es un requisito indispensable. Por ejemplo, en la astronomía, los interferómetros utilizados para estudiar exoplanetas dependen de mediciones metrológicas ultrafinas para detectar variaciones minúsculas en la luz proveniente de estrellas distantes. Su aplicación es común en laboratorios de investigación y en organismos nacionales de metrología, como el Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI) en Argentina. Un ejemplo es la redefinición del kilogramo, que ahora se basa en la constante de Planck en lugar de un objeto físico.

La metrología industrial se aplica en la producción y fabricación de bienes, asegurando que los procesos sean precisos y eficientes. Se encarga de la calibración, control y mantenimiento de instrumentos utilizados en la industria, como micrómetros, calibres Vernier y máquinas de medición por coordenadas. Esto es con la finalidad de que pueda garantizarse que los productos están de conformidad con normas. El equipo se controla con frecuencias establecidas y de forma que se conozca la incertidumbre de las mediciones. La calibración debe hacerse contra equipos certificados, con relación válida conocida a patrones, por ejemplo los patrones nacionales de referencia.

La metrología legal, según la Organización Internacional de Metrología Legal (OIML) es la totalidad de los procedimientos legislativos, administrativos y técnicos establecidos por, o por referencia a, autoridades públicas y puestas en vigor por su cuenta con la finalidad de especificar y asegurar, de forma regulatoria o contractual, la calidad y credibilidad apropiadas de las mediciones relacionadas con los controles oficiales, el comercio, la salud, la seguridad y el ambiente. Básicamente se ocupa de las mediciones sujetas a regulaciones y normativas gubernamentales, garantizando la equidad en transacciones comerciales y la seguridad en ámbitos como la salud y la seguridad vial. Un ejemplo es la regulación de surtidores de combustible, que deben ser inspeccionados periódicamente para asegurar que entregan la cantidad exacta de combustible pagada por el consumidor. Otro caso es el control de radares de velocidad en las carreteras, que deben estar calibrados para evitar errores en las multas de tráfico.

Además de estas ramas, existen enfoques especializados en metrología. La metrología dinámica se utiliza para medir variaciones continuas, como la deformación de un puente bajo carga. En contraste, la metrología determinista sustituye la medición de piezas individuales por la medición de procesos completos. Un ejemplo es la compensación de errores en sistemas de control numérico por computadora (CNC), utilizada en la fabricación de componentes de alta precisión para la industria aeroespacial y de semiconductores.

En un mundo globalizado, la metrología facilita la estandarización y el reconocimiento mutuo de mediciones entre países. Esto permite que productos fabricados en diferentes lugares cumplan con los mismos estándares de calidad y seguridad. Su correcta aplicación mejora la calidad de bienes y servicios, garantiza la seguridad en diversas industrias y contribuye al avance científico y tecnológico, haciendo de la metrología un pilar fundamental del desarrollo moderno.

Necesidad de inspección

La inspección industrial ha adquirido importancia en los tiempos recientes y tiene un enfoque sistemático y científico. Previo a la revolución industrial, los artesanos solían ensamblar las diferentes partes a mano y, en el proceso, se consumía mucho tiempo. Ellos eran enteramente responsables por la calidad de sus productos. La inspección era una función integral de la producción. Desde la revolución industrial, muchas técnicas nuevas de fabricación ha sido desarrolladas para facilitar la producción en masa de componentes.

En las técnicas de fabricación modernas, un producto debe ser pensado en diferentes componentes. La fabricación de cada uno de estos componentes es tratada entonces como un proceso independiente.

La "inspección" se define como el procedimiento en el cual una parte o característica de un producto, como una dimensión, es examinada para determinar si conforma la especificación de diseño. Básicamente, la inspección es llevada a cabo para aislar y evaluar un diseño específico o atributo de calidad de un componente o producto. La inspección industrial asume importancia debido a la producción en serie, la cual se relaciona con la intercambiabilidad de las partes. Estos diferentes componentes que proceden de distintos lugares o industrias son luego ensamblados en otro lugar. Esto necesita que las partes ensamblen de modo que sea posible un acople satisfactorio con cualquier par seleccionado aleatoriamente. Para lograr esto, las dimensiones de los componentes deben encontrarse dentro los límites permisibles para obtener los ensambles requeridos con los ajustes predeterminados. La medición es una parte integral de la inspección. Muchos métodos de inspección dependen de las técnicas de medición, esto es, midiendo la dimensión real de una parte, mientras otros emplean el método de los calibres fijos (pasa/no pasa, galgas). El método de los calibres fijos no provee información del valor real de la característica pero es más rápido comparado a la técnica de medición. Este determina sólo si una dimensión en particular de interés está o no, dentro de los límites permitidos. Si la parte se encuentra dentro de los límites permitidos, es aceptada, de otra manera es rechazada. Este método determina la exactitud dimensional de una característica, sin hacer alguna referencia a su tamaño real, lo cual ahorra mucho tiempo. En la inspección, la parte pasa o falla. Así, la inspección industrial se ha convertido en un aspecto importante del control de calidad.

https://es.wikipedia.org/wiki/Calibre_fijo

La inspección abarca esencialmente lo siguiente:

1. Asegurarse de que la pieza, material o componente se ajuste al estándar establecido o deseado.
2. Lograr intercambiabilidad de fabricación.
3. Mantener la buena voluntad del cliente asegurándose de que ningún producto defectuoso llegue a los clientes.
4. Proporcionar los medios para descubrir deficiencias en la fabricación. Los resultados de la inspección son registrados e informados al departamento de fabricación para que tome medidas adicionales para garantizar la producción de piezas aceptables y reducción de chatarra.
5. Adquirir materias primas, herramientas y equipos de buena calidad que rijan la calidad de los productos terminados.
6. Coordinar las funciones de control de calidad, producción, compras y otros departamentos de las organizaciones
7. Tomar la decisión de realizar retrabajos en piezas defectuosas, es decir, evaluar la posibilidad de hacer que algunas de estas piezas sean aceptables después de reparaciones menores.
8. Fomentar el espíritu de competencia, que lleva a la fabricación de productos de calidad en serie eliminando cuellos de botella y adoptando mejores técnicas de producción.

Objetivo de la metrología y mediciones

A partir de las discusiones anteriores, sabemos que la precisión de la medición es fundamental para la producción de productos de calidad. Por lo tanto, el objetivo principal de cualquier sistema de medición es proporcionar la precisión requerida al menor costo posible. Además, la metrología es una parte integral de la industria de la ingeniería moderna, abarcando diversas áreas como diseño, manufactura, ensamblaje, investigación y desarrollo, e ingeniería.

Los objetivos de la metrología y las mediciones incluyen:

1. Garantizar que los componentes recién desarrollados sean evaluados y diseñados adecuadamente dentro del proceso, y que las instalaciones con capacidades de medición estén disponibles en la planta.
2. Asegurar la uniformidad en las mediciones.
3. Realizar estudios de capacidad del proceso para lograr mejores tolerancias en los componentes.
4. Evaluar la adecuación de los instrumentos de medición para cumplir con sus respectivas funciones.
5. Garantizar una inspección rentable y el uso óptimo de las instalaciones disponibles.
6. Aplicar técnicas de control de calidad para minimizar la tasa de desperdicio y retrabajo.
7. Establecer procedimientos de inspección desde la fase de diseño, estandarizando los métodos de medición.
8. Calibrar periódicamente los instrumentos de medición para mantener la precisión en las mediciones.
9. Resolver problemas de medición que puedan surgir en el área de producción.
10. Diseñar calibres y dispositivos especiales necesarios para la inspección.
11. Investigar y eliminar diferentes fuentes de error en las mediciones.

TERMINOLOGÍAS METROLÓGICAS

Muchas empresas hoy en día están preocupadas por la gestión de la calidad o están en proceso de implementar algún tipo de sistema de calidad en su trabajo. Esto las lleva a estar en contacto con normas de calidad como la EN 45001 – Criterios Generales para el Funcionamiento de Laboratorios de Ensayo, o con las normas de la serie ISO 9000 o el sistema DIN. Una característica común a todas las normas de calidad es que especifican requisitos en relación con las mediciones y su trazabilidad.

El contexto de calidad emplea una serie de términos de tecnología de medición que pueden causar dificultades si sus significados no se comprenden correctamente.

• Exactitud: Es la proximidad entre un resultado de una medición y el valor de referencia aceptado o valor verdadero [ISO 5725]. Se dice que una medición es más exacta cuanto más pequeño es el error de medida.
• Sesgo: Es el valor estimado del error sistemático, definido como la diferencia entre la expectativa del promedio de los resultados de la medición y un valor de referencia aceptado o valor verdadero [ISO 5725].
• Calibración: Conjunto de operaciones que establecen, bajo condiciones especificadas, la relación entre los valores de las magnitudes indicadas por un instrumento de medición o los valores representados por una medida material y los valores correspondientes realizados por los estándares. El resultado de una calibración puede registrarse en un documento, por ejemplo, un certificado de calibración. El resultado puede expresarse como correcciones con respecto a las indicaciones del instrumento.
• Confirmación: Conjunto de operaciones necesarias para garantizar que un equipo de medición cumple con los requisitos para su uso previsto. La confirmación metrológica normalmente incluye, por ejemplo, calibración, cualquier ajuste o reparación necesaria y recalibración posterior, así como cualquier sellado y etiquetado requerido.
• Corrección: Valor que, sumado algebraicamente al resultado no corregido de una medición, compensa un error sistemático supuesto. La corrección es igual al error sistemático supuesto, pero con signo opuesto. Dado que el error sistemático no se puede conocer exactamente, la corrección está sujeta a incertidumbre.
• Deriva: Cambio lento de una característica metrológica de un instrumento de medición.
• Error de un instrumento de medición: Diferencia entre la indicación de un instrumento de medición y un valor "verdadero" de la cantidad de entrada correspondiente. El error tiene signo.
• Expectativa de la cantidad medible: Promedio de una población especificada de mediciones.
• Error fiducial (de un instrumento de medición): Error del instrumento de medición dividido por un valor (fiducial) especificado para el instrumento. El valor fiducial puede ser el rango o el límite superior de un rango nominal de un instrumento de medición.
• Patrón de grupo: Conjunto de estándares de valores elegidos que, individualmente o en combinación, proporcionan una serie de valores de magnitudes del mismo tipo.
• Inspección: Involucra la medición, investigación o prueba de una o más características de un producto, e incluye la comparación de los resultados con requisitos especificados para determinar si estos se han cumplido.
• Magnificación: Para medir pequeñas diferencias en dimensiones, el movimiento de la punta de medición en contacto con la pieza debe amplificarse y, por lo tanto, la señal de salida de un instrumento de medición se magnifica varias veces para hacerla más legible. En un instrumento de medición, la magnificación puede ser mecánica, eléctrica, electrónica, óptica, neumática o una combinación de estas.
• Medida: Cantidad particular sujeta a medición.
• Patrón nacional (de medición): Estándar reconocido por una decisión nacional para servir, en un país, como base para asignar valores a otros estándares de la cantidad en cuestión.
• Valor nominal: Valor redondeado o aproximado de una característica de un instrumento de medición que sirve como referencia para su uso.
• Precisión: Proximidad entre los resultados de mediciones independientes obtenidos bajo condiciones estipuladas [ISO 5725]. Es habitual que la precisión de una medida se exprese numéricamente mediante medidas de dispersión tales como la desviación típica, la varianza o el coeficiente de variación bajo las condiciones especificadas. La precisión se utiliza para definir la repetibilidad de medida, la precisión intermedia y la reproducibilidad. Con frecuencia, “precisión de medida” se utiliza, erróneamente, en lugar de exactitud de medida
• Rango: Capacidad dentro de la cual un instrumento es capaz de medir.
• Legibilidad: Facilidad con la que se pueden leer las indicaciones de un instrumento de medición. Es la susceptibilidad de un dispositivo de medición para que sus indicadores se conviertan en números significativos. Si las líneas de graduación están muy finamente espaciadas, la escala será más legible usando un microscopio, pero la legibilidad será pobre a simple vista.
• Valor de referencia aceptado: Valor acordado como referencia para la comparación, que se deriva como un valor teórico o establecido basado en principios científicos; un valor asignado o certificado, basado en trabajos experimentales de alguna organización nacional o internacional; o un valor de consenso o certificado, basado en trabajos experimentales colaborativos bajo los auspicios de un grupo científico o de ingeniería. También se lo conoce como valor verdadero o valor convencionalmente verdadero.
• Condiciones de repetibilidad: Situación en la que los resultados de pruebas independientes se obtienen con el mismo método en elementos de prueba idénticos, en el mismo laboratorio, por el mismo operador, usando el mismo equipo y en intervalos de tiempo cortos [ISO 5725].
• Reproducibilidad: Precisión bajo condiciones de reproducibilidad.
• Condiciones de reproducibilidad: Situación en la que los resultados de prueba se obtienen con el mismo método en elementos de prueba idénticos, pero en diferentes laboratorios, con distintos operadores y utilizando diferentes equipos.
• Tiempo de respuesta: Tiempo que transcurre después de un cambio repentino en la cantidad medida hasta que el instrumento proporciona una indicación diferente del valor verdadero en una cantidad menor al valor permisible dado.
• Resolución: Cambio más pequeño de la cantidad medida que modifica la indicación de un instrumento de medición.
• Sensibilidad: Denota el menor cambio en el valor de la variable medida al cual responde el instrumento. En otras palabras, la sensibilidad indica el máximo cambio en una señal de entrada que no generará una respuesta en la salida.
• Estabilidad: Capacidad de un instrumento de medición para mantener constantemente sus características metrológicas a lo largo del tiempo.
• Estándar de medición, material patrón, instrumento de medición, material de referencia o sistema de medición: Elementos destinados a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o uno o más valores de una cantidad para servir como referencia.
• Estandarización: Proceso de formulación y aplicación de normas para un enfoque ordenado de una actividad específica en beneficio y con la cooperación de todas las partes interesadas. Esto se realiza para promover la economía general, considerando las condiciones funcionales y los requisitos de seguridad.
• Ensayo: Investigación técnica, por ejemplo, para determinar si un producto cumple con su rendimiento especificado.
• Trazabilidad: Capacidad de relacionar un resultado medido con referencias establecidas, generalmente estándares nacionales o internacionales, a través de una cadena ininterrumpida de comparaciones, todas con incertidumbres declaradas.
• Veracidad: Proximidad entre el valor promedio obtenido a partir de una gran serie de resultados de prueba y un valor de referencia aceptado [ISO 5725]. La medida de la veracidad se expresa generalmente en términos de sesgo.
• Incertidumbre de medición: Parámetro asociado con el resultado de una medición que caracteriza la dispersión de los valores que podrían atribuirse razonablemente a la magnitud medida. Puede expresarse como una estimación del rango dentro del cual se encuentra el valor verdadero de la magnitud medida.
• Verificación: Investigación que demuestra que se cumplen los requisitos especificados.

Referencias:

VIM: Vocabulario Internacional de Metrología 2012