ESTUDIO DE LA INCERTIDUMBRE OBTENIBLE UTILIZANDO SISTEMAS “BUILD-UP” PARA
TRAZARLO INTERNAMENTE EN EL INTERVALO DE 100kN A 5MN
Savarin, A.(i); Kirsch, G.(ii); Wüthrich, C.(iii) (i) Centro de Investigación y Desarrollo en Física y Metrología
(ii) Flexar S.R.L (iii) Eidgenössisches Institut für Metrologie METAS, Suiza
asavarin@inti.gob.ar
Introducción
El Laboratorio de Fuerza de Física y Metrología cuenta con máquinas de comparación en el intervalo de 500 N a 1000 kN de capacidad. Las mismas obtienen trazabilidad por medio de la recalibración de sus transductores de referencia en otros Institutos Nacionales de Metrología (INM). La incertidumbre actual en el intervalo de 100 kN a 1000 kN es de 5·10-4, siendo insuficiente para dar trazabilidad a otros laboratorios de calibración y/o investigación. Asimismo no hay capacidad de medición por arriba de 1 MN.
Por ello se formuló junto a INTI-Mecánica un proyecto de desarrollo ante el MinCyT, recientemente aprobado, el FINSET 018/15 “Desarrollo de Nuevas Capacidades para el Fortalecimiento de la Oferta de Servicios Tecnológicos en Medianas y Altas Cargas”.
A mediano y largo plazo, será necesario contar con mediciones de mejor exactitud en el intervalo de hasta 1MN, y contar con capacidades en el intervalo de hasta 5MN. Las incertidumbres esperadas son de 2·10-4 en el primer caso y de 5·10-4 en el segundo caso.
Asimismo es deseable obtener la trazabilidad interna de dichas mediciones, por lo cual se optó por el uso de sistemas tipo “build-up”, siendo este trabajo el estudio que demuestra la posibilidad y el alcance de estos sistemas.
Descripción
Un sistema “build-up” consiste en un conjunto de transductores de fuerza trabajando en paralelo. Cada transductor es calibrado individualmente en una máquina primaria de fuerza y luego, el conjunto armado logra ampliar el valor de fuerza. Por medio del uso de varias etapas, es posible ir aumentando la capacidad de medición con trazabilidad interna.
El sistema experimental que está en desarrollo junto a Flexar S.R.L y la Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Córdoba, consiste en un sistema de 3x100kN, utilizando transductores de fuerza “doblearticulados”, que son una adaptación de transductores bien conocidos por el fabricante.
A continuación se presenta un esquema de la configuración planteada.
Objetivos
Estudiar la factibilidad de ampliación de la escala nacional de la magnitud fuerza, de modo de lograr trazabilidad interna en el intervalo desde 100 kN hasta 5 MN, utilizando sistemas de múltiples transductores (build-up).
Este estudio está orientado por un lado a investigar su comportamiento por medio del diseño y construcción de uno de estos instrumentos experimentales; mientras que por otro lado apunta a dar sustento técnico al proyecto de financiamiento FINSET 018/15.
Fig. 1. Esquema del sistema experimental de 3x100kN.
Con este sistema se espera obtener una incertidumbre mejor a 2·10-4 en el intervalo de 100 a 300 kN.
Por otro lado, y para dar sustento técnico al proyecto FINSET 018/15, se analizaron varios modelos de incertidumbre junto al METAS de Suiza, para determinar la factibilidad y el alcance de estos sistemas.
Cabe destacar que, básicamente, hay dos posibilidades, una es hacer etapas de 3x, o sea utilizando sistemas de 3 transductores en paralelo, mientras que la otra opción es utilizar un sistema 9x, o sea tres sistemas de 3x en paralelo; este último obtendría mejor incertidumbre por reducir cantidad de etapas, pero como contrapartida se complica el montaje y alineación de los sistemas.
Resultados
Las estimaciones de incertidumbre se realizaron utilizando valores de calibraciones reales con instrumentos de fuerza similares en características metrológicas a los que serán utilizados con estos sistemas. Estas estimaciones son optimistas debido a que no contemplan la interacción entre los transductores.
A continuación se presenta el modelo utilizado que se condice con la norma GUM y con la recomendación EURAMET cg/04.
Tabla. 1. Propagación de incertidumbre al sistema 3x y 9x
Paso / Step 2
X mV/V
w(X) 1*10-6
0,00000
-
0,20005
33
0,40011
22
0,60023
20
0,80040
17
1,00054
17
1,20072
17
1,40093
17
1,60117
15
1,80146
27
2,00171
17
w\_ts 1*10-6
35 24 22 19 19 19 19 18 29 19
Paso / Step 3
w\_rv wBU\_rv x3 wBU\_rv x9 1*10-6 1*10-6 1*10-6
-
-
-
35
36
41
25
26
32
23
24
31
20
21
29
20
21
29
20
21
29
20
21
29
19
19
28
30
30
36
20
21
29
El paso 1, corresponde a la incertidumbre de la máquina primaria, en este caso 1·10-5 (k=1); el paso 2 a tener en cuenta las características metrológicas del transductor individual, o sea repetibilidad, reproducibilidad, resolución, histéresis, etc; el paso 3 corresponde a propagar la incertidumbre al conjunto completo, se utilizó para ello un coeficiente de correlación pesimista de 0,64.
La anteúltima columna corresponde a utilizar un sistema 3x (hasta 300kN); mientras que la última a un sistema 9x (hasta 1MN).
Con los sistemas trazados se pasa a trazar la máquina en cuestión. A continuación se presentan los resultados hasta 1MN, utilizando dos sistemas 3x y un sistema 9x.
Tabla. 2. CMC alcanzable en máquina de referencia de 1MN
SISTEMA 3x
Paso 4
Paso 5
X mV/V
w(dfcm) 1*10-6
wCMC 1*10-6
WCMC 1*10-6
0,00000
-
-
-
0,20005 43
83
166
0,40007 38
80
160
0,60008 27
76
152
0,80008 27
76
152
1,00009 27
76
151
1,20011 25
75
150
1,40013 24
75
150
1,60015 22
74
149
1,80017 24
75
149
2,00080 23
74
149
SISTEMA 9x
Paso 4
Paso 5
w(dfcm) wCMC WCMC
1*10-6 1*10-6 1*10-6
-
-
-
43
70
139
38
66
133
27
61
122
27
61
122
27
61
122
25
60
121
24
60
120
22
59
118
24
60
120
23
59
119
Con el mismo razonamiento se amplían estos cálculos para llegar a 5MN, utilizando tanto el sistema 3x como el 9x.
Finalmente se presenta un sistema típico que podría utilizarse como 3x600kN y/o 9x600kN.
Fig. 2. Sistema build-up de 9x600kN, marca GTM-KTN-D
Conclusiones
Se demuestra que tanto un sistema 3x como un sistema 9x son aptos para lograr los objetivos del proyecto de ampliación de la escala.
En el caso del sistema 3x, las etapas y sus incertidumbres esperadas (k=2), son las siguientes: 3x100 kN (1,5·10-4); 3x300 kN (2·10-4); 3x600 kN (3,0·10-4); 3X2 MN (4,5·10-4)
En el caso del sistema 9x, se obtendría: 9x100 kN (2,0·10-4); 9x600 kN (4,2·10-4)
Ver+/-
