Standards de medición

 **2.1 INTRODUCCIÓN**  

Los seres humanos siempre han sido innovadores y han explotado los recursos naturales de la tierra para fabricar productos y dispositivos que satisfacen sus necesidades y deseos básicos. Siempre han experimentado con la forma, el tamaño y el rendimiento de los productos que han inventado. Durante el período medieval, el proceso de medición experimentó una evolución y las personas aceptaron el proceso en oficios específicos, pero no se establecieron normas comunes. Generalmente, estas normas de medición dependían de la región, y a medida que crecían el comercio y el intercambio, también se reconocía la necesidad de la estandarización. De hecho, sería imposible imaginar el mundo moderno actual sin un buen sistema de normas de medición.  

La producción en masa, una idea generada durante la última revolución industrial, se ha vuelto muy popular y sinónimo de la industria manufacturera actual, y una necesidad para la fabricación de piezas idénticas. Hoy en día, casi todas las unidades de fabricación practican el principio de intercambiabilidad de fabricación. Para lograr la intercambiabilidad total de la fabricación en las industrias, es esencial tener un sistema de medición que pueda definir adecuadamente las características de los componentes/productos con la precisión requerida.

**2.2 NORMAS Y SU PAPEL**  

Para que las mediciones sean un ejercicio significativo, es muy esencial hacer algún tipo de comparación con una cantidad conocida. Es necesario definir un valor unitario de cualquier cantidad física bajo consideración de manera que sea aceptado internacionalmente. No basta con definir solo estos valores unitarios de las cantidades físicas; también deben ser medibles. Una norma se define como el valor fundamental de cualquier cantidad física conocida, tal como lo establece una organización nacional e internacional de autoridad, y que puede ser reproducida. Las unidades fundamentales de las cantidades físicas como longitud, masa, tiempo y temperatura forman la base para establecer un sistema de medición.  

En el mundo actual de la globalización, es imposible realizar intercambios comerciales a nivel nacional e internacional sin normas. De hecho, un buen sistema de normas es esencial para un comercio justo internacional; también ayuda a lograr la intercambiabilidad total de la fabricación. Cumplir con normas aceptadas globalmente permite al fabricante convencer a los clientes sobre la calidad del producto.  

Las normas juegan un papel vital para los fabricantes de todo el mundo en la consecución de consistencia, precisión, exactitud y repetibilidad en las mediciones, y en el apoyo del sistema que permite a los fabricantes realizar dichas mediciones.

**2.3 EVOLUCIÓN DE LAS NORMAS**  

La necesidad de mediciones precisas ha sido reconocida por los seres humanos desde tiempos remotos, lo cual es evidente en la historia de las normas. Las normas de longitud fueron una de las primeras establecidas por los seres humanos. Un breve vistazo a la historia revela los siguientes hechos interesantes. El codo egipcio fue la primera norma de longitud registrada: la longitud del antebrazo del faraón más el ancho de su palma. El codo real fue la primera norma maestra hecha de granito negro, que se utilizó en la construcción de las pirámides egipcias. La longitud real del pie del monarca griego se definió como un pie. El rey Enrique I decretó que la longitud desde la punta de la nariz hasta el final del dedo medio, cuando el brazo está completamente estirado, fuera considerada una yarda.  

Uno de los requisitos importantes para el progreso de la ciencia es dominar la ciencia de la medición. Cualquier avance logrado en la fabricación y otros sectores comerciales en el ámbito internacional requiere que las actividades a altos niveles científicos y técnicos se realicen gracias al progreso en la metrología. Además, la automatización en las industrias manufactureras exige un nivel muy alto de precisión, exactitud y confiabilidad. Es pertinente mencionar aquí que el conocimiento de los seres humanos sobre la naturaleza y el universo, su adaptabilidad al propósito y su capacidad para medir con precisión, proporciona la base para la ciencia de la metrología.  

El sistema métrico, que fue aceptado por Francia en 1795, coexistió con las unidades medievales hasta 1840, cuando se declaró como el sistema exclusivo de pesos y medidas. En 1798, Eli Whitney introdujo el concepto de fabricar componentes intercambiables para ensamblar armas. Esto condujo al desarrollo de la estandarización de las actividades de fabricación para lograr la intercambiabilidad. Basado en una investigación de 4 años, John Quincy Adams presentó en 1821 un informe sobre el sistema métrico y la modernización de nuestro sistema de medición al Congreso de los Estados Unidos. Destacando la importancia de la medición en su informe, afirmó: “Los pesos y las medidas pueden considerarse entre las necesidades de la vida de cada individuo de la sociedad humana. Entrarán en los arreglos económicos y las preocupaciones diarias de cada familia. Son necesarias para cada ocupación de la industria humana; para la distribución y seguridad de toda clase de propiedad; para cada transacción de comercio y comercio; para los trabajos del agricultor; para la destreza del artesano; para los estudios del filósofo; para las investigaciones del anticuario; para la navegación del marinero, y las marchas del soldado; para todos los intercambios de paz y todas las operaciones de guerra. El conocimiento de ellos, tal como se usa habitualmente, es uno de los primeros elementos de educación, y a menudo lo aprenden aquellos que no aprenden nada más, ni siquiera a leer y escribir. Este conocimiento se fija en la memoria por la aplicación habitual en los trabajos de los hombres a lo largo de la vida”.  

Para 1860, con el fin de mantenerse al ritmo de los inventos científicos, surgió la necesidad de mejores estándares métricos. En 1855, se desarrolló en Inglaterra la yarda imperial estándar, que era bastante precisa. En 1872, se desarrolló el primer prototipo internacional del metro en Francia. La Convención Internacional del Metro, que se celebró en Francia en 1875, aceptó universalmente el sistema métrico, y también se tomaron disposiciones para establecer la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) en París, la cual fue firmada por 17 países. Esta convención también acordó definir con precisión las normas métricas para la masa y la longitud, y estableció mecanismos permanentes para proponer e implementar mejoras adicionales en el sistema métrico. En 1866, los EE. UU. aprobaron una ley del Congreso para emplear el sistema métrico de pesos y medidas en todos los contratos, tratos y procedimientos judiciales. En los EE. UU., desde 1893, los estándares métricos aceptados internacionalmente han servido como los estándares básicos de medición. Alrededor de 35 países, incluidos los países de Europa continental y la mayor parte de Sudamérica, adoptaron oficialmente el sistema métrico en 1900.  

Los estándares adoptados internacionalmente fueron necesarios para respaldar el rápido aumento del comercio entre los países industrializados. Esto dio lugar al establecimiento de organizaciones internacionales para la estandarización, como la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) en 1906 y la Organización Internacional de Normalización (ISO) en 1947.  

En octubre de 1960, en la 11ª Conferencia General de Pesas y Medidas celebrada en París, los estándares métricos originales fueron redefinidos de acuerdo con los estándares de medición del siglo XX y se ideó un nuevo y simplificado sistema internacional de unidades, conocido como el sistema SI. SI significa "système international d'unités" (sistema internacional de unidades). Las siete unidades básicas establecidas bajo el sistema de unidades SI se presentan en la Tabla 2.1. La 11ª Conferencia General recomendó un nuevo estándar de longitud, conocido como el estándar de longitud por longitud de onda, según el cual, el metro se define como 16,50,763.73 × longitudes de onda de la radiación rojo-anaranjada del átomo de kriptón 86 en vacío.  

En la 17ª Conferencia General de Pesas y Medidas celebrada el 20 de octubre de 1983, el metro moderno fue definido como la longitud del camino recorrido por la luz en vacío durante un intervalo de tiempo de 1/29,97,92,458 de segundo.  

En 1999, se firmó un acuerdo de reconocimiento mutuo (MRA) por el Comité de Pesas y Medidas para atender la creciente necesidad de un método abierto, transparente y completo para proporcionar a los usuarios información cuantitativa confiable sobre la comparabilidad de los servicios nacionales de metrología. También proporciona la base técnica para acuerdos más amplios negociados para el comercio internacional, el comercio y los asuntos regulatorios.  

En 1999, los directores de los Institutos Nacionales de Metrología (NMI) firmaron un MRA para los estándares nacionales de medición y para los certificados de calibración y medición emitidos por los NMI.

2.7 SUBDIVISIONES DE LOS ESTÁNDARES  

El estándar imperial de la yarda y el metro definidos en las Secciones 2.5.1 y 2.5.2 son estándares maestros que no se pueden usar para mediciones diarias. Para facilitar la medición en diferentes ubicaciones según la importancia relativa del estándar, estos se subdividen en los siguientes cuatro grupos:  

**Estándares primarios**: Para definir la unidad con precisión, debe haber un solo estándar material. Los estándares primarios se preservan cuidadosamente y se mantienen bajo condiciones atmosféricas estándar para que no cambien sus valores. Esto no tiene una aplicación directa a un problema de medición encontrado en ingeniería. Estos se utilizan solo para comparar con los estándares secundarios. La yarda internacional y el metro internacional son ejemplos de unidades estándar de longitud.  

**Estándares secundarios**: Estos se derivan de los estándares primarios y se parecen mucho a ellos en cuanto a diseño, material y longitud. Cualquier error existente en estas barras se registra mediante comparación con los estándares primarios después de largos intervalos. Estos se mantienen en diferentes ubicaciones bajo estricta supervisión y se utilizan para comparación con los estándares terciarios (solo cuando es absolutamente necesario). Sirven como protección contra la pérdida o destrucción de los estándares primarios.  

**Estándares terciarios**: Los estándares primarios y secundarios son los controles definitivos de los estándares; estos solo se utilizan con fines de referencia y solo en intervalos raros. Los estándares terciarios son estándares de referencia empleados por el NPL y se utilizan como primeros estándares de referencia en laboratorios y talleres. Estos estándares son réplicas de los estándares secundarios y generalmente se utilizan como referencias para los estándares de trabajo.  

**Estándares de trabajo**: Se utilizan con más frecuencia en talleres y laboratorios. En comparación con los otros tres estándares, los materiales utilizados para fabricar estos estándares son de menor calidad y costo. Se derivan de los estándares fundamentales y sufren de pérdida de precisión instrumental debido a la comparación sucesiva en cada nivel de la cadena jerárquica. Los estándares de trabajo incluyen tanto estándares de línea como de extremo.  

La precisión es uno de los factores más importantes a mantener y siempre debe ser rastreable a una fuente única, generalmente los estándares nacionales del país. Los laboratorios nacionales de la mayoría de los países desarrollados están en contacto estrecho con el BIPM. Esto es esencial porque, en última instancia, todas estas mediciones se comparan con los estándares desarrollados y mantenidos por los bureaus de estándares en todo el mundo. Por lo tanto, hay una garantía de que los artículos fabricados con dimensiones idénticas en diferentes países serán compatibles entre sí, lo que ayuda a mantener un comercio saludable. La Figura 2.3 muestra la clasificación jerárquica de los estándares y la Tabla 2.2 muestra una clasificación basada en el propósito.  

La precisión de un estándar particular depende de las comparaciones sucesivas de los estándares en la escalera jerárquica. Al evaluar la precisión de un estándar, también es importante considerar factores como el cuidado tomado durante la comparación, procedimiento seguido para la comparación cuando se realizó la comparación reciente, y la estabilidad del estándar particular. Es imperativo que exista una degradación de la precisión en los estándares que siguen a los estándares nacionales en la clasificación jerárquica de los estándares, como se muestra en la Figura 2.3.

Las comparaciones con los estándares nacionales rara vez se realizan, ya que las comparaciones frecuentes pueden degradar su precisión. Para las comparaciones frecuentes de los estándares de orden inferior, generalmente se utilizan estándares de referencia nacionales. Para fines de calibración, normalmente se emplean estándares de trabajo. Estos estándares de trabajo ocupan el tercer lugar en la clasificación jerárquica y a veces se les llama estándares nacionales de trabajo. Los estándares interlaboratorios y los estándares de referencia para laboratorios, que son de buena calidad, se derivan de los estándares de trabajo.

**Tabla 2.2 Clasificación de los estándares según el propósito**  

| Estándar | Propósito |  

| --------- | --------- |  

| Referencia | Referencia |  

| Calibración | Calibración de estándares de inspección y de trabajo |  

| Inspección | Usado por inspectores |  

| Estándares de trabajo | Usado por operadores |  

**Figura 2.3 Clasificación jerárquica de los estándares**  

2.5 ESTÁNDAR DE MATERIALES
Existen dos sistemas estándar de medición lineal que han sido aceptados y adoptados mundialmente: los sistemas inglés y métrico (yardas y metros). La mayoría de los países han reconocido la importancia y las ventajas del sistema métrico y han aceptado el metro como la unidad fundamental de medición lineal.
Los científicos de todo el mundo siempre han estado en busca de una unidad adecuada para la longitud, y se han realizado esfuerzos constantes para mantener la unidad de longitud constante independientemente de las condiciones ambientales. El problema con los estándares materiales utilizados anteriormente era que los materiales utilizados para definir los estándares podían cambiar de tamaño con la temperatura y otras condiciones. Para mantener la unidad fundamental inalterada, era necesario ejercer un gran cuidado y atención para mantener las mismas condiciones. La unidad natural e invariable para la longitud se finalizó como el estándar primario cuando descubrieron que la longitud de onda de la luz monocromática no se veía afectada por las condiciones ambientales. Pudieron expresar fácilmente la yarda y el metro previamente definidos en términos de la longitud de onda de la luz.
La yarda o el metro se definen como la distancia entre dos líneas grabadas en una barra de metal mantenida bajo ciertas condiciones de temperatura y soporte. Estos son estándares legales y están regidos por la Ley del Parlamento para su uso.

2.5.1 Yarda
La yarda estándar imperial es una barra de bronce de 1 pulgada cuadrada de sección transversal y 38 pulgadas de longitud, compuesta por 82% de Cu, 13% de estaño y 5% de Zn. La barra contiene agujeros de ½ pulgada de diámetro por ½ pulgada de profundidad. Tiene dos depresiones redondas, cada una ubicada a una pulgada de cada extremo y que se extienden hasta el plano central de la barra. Un tapón de oro altamente pulido de 1/10 de pulgada de diámetro contiene tres líneas grabadas transversalmente y dos líneas longitudinales que se insertan en cada uno de estos agujeros de tal manera que las líneas quedan en el plano neutral. La superficie superior del tapón se encuentra en el eje neutral. La yarda se define como la distancia entre las dos líneas transversales centrales del tapón mantenido a una temperatura de 62 °F. La yarda, que se legalizó en 1853, siguió siendo un estándar legal hasta que fue reemplazada por el estándar de longitud de onda en 1960. Una de las ventajas de mantener las líneas del tapón de oro en el eje neutral es que este eje permanece inalterado debido a la flexión de la barra. Otra ventaja es que el tapón de oro está protegido de daños accidentales. Tres vistas ortográficas de la yarda estándar imperial se muestran en la Fig. 2.1. Es importante notar que ocurre un error en el eje neutral debido al soporte proporcionado en los extremos. Este error se puede minimizar colocando los soportes de manera que la pendiente en los extremos sea cero y las caras planas de los extremos de la barra sean mutuamente paralelas.
Los puntos Airy pueden definirse como los puntos en los cuales una barra horizontal se apoya opcionalmente para evitar que se deforme. Estos puntos se utilizan para soportar un estándar de longitud de manera que se minimice el error debido a la flexión. Sir George Biddell Airy (1801–92) demostró que la distancia d entre los soportes se puede determinar con la fórmula
1/(n² - 1) × L, donde n es el número de soportes y L es la longitud de la barra. Cuando está soportada por dos puntos, n = 2. Sustituyendo este valor en la fórmula anterior, se obtiene la distancia entre los soportes como 0.577L. Esto significa que los soportes deben estar a una distancia igual de cada extremo hasta una posición donde estén separados 0.577L. Normalmente, los puntos Airy se marcan para barras de longitud mayores a 150 mm.
La distancia entre dos soportes para la yarda internacional y el prototipo internacional de metro se marca como 29.94 pulgadas y 58.9 mm, respectivamente.

2.5.2 Metro
Este estándar también se conoce como el prototipo internacional del metro, que se estableció en 1875. Se define como la distancia entre las posiciones centrales de las dos líneas grabadas en la superficie altamente pulida de una barra de 102 cm de aleación de platino-iridio puro (90% platino y 10% iridio), mantenida a 0 °C bajo presión atmosférica normal y con una sección transversal en forma de red, como se muestra en la Fig. 2.2. La superficie superior de la red contiene graduaciones que coinciden con el eje neutral de la sección.
La sección en forma de red ofrece dos ventajas principales. Dado que la sección es uniforme y tiene graduaciones en el eje neutral, permite graduar toda la superficie. Este tipo de sección transversal proporciona mayor rigidez por la cantidad de metal utilizado y es económica a pesar de que se usa un metal costoso para su construcción. La barra es inoxidable y puede tener un buen pulido, lo cual es necesario para obtener líneas de buena calidad. Se soporta por dos rodillos de al menos 1 cm de diámetro, que se ubican simétricamente en el mismo plano horizontal a una distancia de 751 mm entre sí, de modo que la deflexión sea mínima.

2.5.3 Desventajas de los Estándares Materiales
Las siguientes desventajas están asociadas con los estándares materiales:

1. Los estándares materiales se ven afectados por cambios en las condiciones ambientales como temperatura, presión, humedad y envejecimiento, lo que resulta en variaciones en la longitud.
2. La preservación de estos estándares es difícil porque deben tener seguridad adecuada para evitar su daño o destrucción.
3. Las réplicas de los estándares materiales no están disponibles para su uso en otros lugares.
4. No pueden reproducirse fácilmente.
5. La comparación y verificación de los tamaños de los calibradores presenta considerables dificultades.
6. Al cambiar al sistema métrico, es necesario un factor de conversión.
   Estas desventajas impulsaron a los científicos a buscar un estándar que no se viera afectado por las variaciones en las condiciones ambientales. En consecuencia, la 11ª Conferencia General de Pesas y Medidas, celebrada en París en 1960, recomendó un nuevo estándar de longitud, conocido como el estándar de longitud de onda, medido en términos de longitudes de onda de la radiación roja-naranja del gas isótopo de kriptón 86.

2.6 ESTÁNDAR DE LONGITUD DE ONDA
Es muy claro a partir de los métodos discutidos anteriormente que la comparación y verificación de los tamaños de los calibradores presentan dificultades considerables. Esta dificultad surge porque el estándar de trabajo utilizado como referencia se deriva de un estándar físico y se requieren comparaciones sucesivas para establecer el tamaño de un estándar de trabajo utilizando el proceso discutido anteriormente, lo que conduce a errores inaceptables. Al usar las longitudes de onda de una luz monocromática como una unidad natural e invariable de longitud, se puede eliminar la dependencia del estándar de trabajo con respecto al estándar físico. La definición de un estándar de longitud en relación con el metro se puede expresar fácilmente en términos de las longitudes de onda de la luz.
El uso del fenómeno de interferencia de las ondas de luz para proporcionar un estándar de trabajo puede ser aceptado como definitivo para todos los fines prácticos. Sin embargo, hubo algunas objeciones al uso del estándar de longitud de onda de la luz debido a la imposibilidad de producir luz monocromática pura, ya que la longitud de onda depende de la cantidad de impurezas de isótopos en los elementos. Sin embargo, con los rápidos avances en el campo de la energía atómica, se han producido isótopos puros de elementos naturales. El cadmio 114, el kriptón 86 y el mercurio 198 son fuentes posibles de radiación de longitudes de onda adecuadas para el estándar natural de longitud. No es necesario preservar el estándar de longitud de onda, ya que no es un estándar físico. Este estándar de longitud es reproducible, y el error de reproducción puede ser del orden de 1 parte en 100 millones.
Finalmente, en 1960, en la 11ª Conferencia General de Pesas y Medidas celebrada en París, se recomendó y decidió que el kriptón 86 es el elemento más adecuado si se utiliza en una lámpara de descarga de cátodo caliente mantenida a una temperatura de 68 K. Según este estándar, el metro se define como 1,650,763.73 × longitudes de onda de la radiación roja-naranja de un átomo de kriptón 86 en vacío. Este estándar se puede reproducir con una precisión de aproximadamente 1 parte en 10⁹ y puede ser accesible a cualquier laboratorio.

2.6.1 Metro Moderno
El metro moderno se definió en la 17ª Conferencia General de Pesas y Medidas celebrada el 20 de octubre de 1983. Según esto, el metro es la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299,792,458 de segundo. Este estándar es tecnológicamente más preciso y factible en comparación con la radiación roja-naranja de un átomo de kriptón 86 y se puede realizar en la práctica mediante el uso de un láser de helio-neón estabilizado con yodo. La reproducibilidad del metro moderno se ha encontrado que es de 3 partes en 10¹¹, lo que podría compararse con medir la circunferencia media de la Tierra con una precisión de aproximadamente 1 mm.