Realización actual del Patrón Nacional de Masa Implementación de la medición de susceptibilidad magnética y rugosidad en patrones de masa
Serra, R. D.; Passarino, M. N.
Departamento de Patrones Nacionales de Medida (DPNM)
El presente trabajo tiene como objetivo informar sobre las actividades desarrolladas por el laboratorio de masa del DPNM. Su misión fundamental es la realización de la unidad de masa. Mantenimiento y custodia del kilogramo.
Como laboratorio de referencia nacional está obligado a participar en comparaciones internacionales que permitan demostrar su capacidad de medición y lograr el reconocimiento mútuo de sus pares.
La recomendación R-111/94 de la Organización Internacional de Metrología Legal (OIML) establece las características y cualidades metrológicas que deben cumplir los patrones de masa. Especifica los errores máximos tolerados (EMT), los límites de la densidad del material con el cual deben estar construidos, el límite máximo de susceptibilidad magnética permitido, la rugosidad superficial, etc. Nuestro laboratorio debe asegurar una precisión relativa de ± 6 x 10-8. Para ello es necesario aplicar la metodología adecuada para la medición de todos estos parámetros.
Todo esto conlleva a las "buenas prácticas de las mediciones" (GMP) de masa.
TRANSFERENCIA A PATRONES SECUNDARIO
La jerarquía de patrones de nuestro laboratorio presenta en su vértice dos pesas de 1 kg identificadas, K30 y PTB48, en acero inoxidable; siendo estas el eslabón de la cadena de trazabilidad al Prototipo Internacional de Pt/Ir (BIPM). A partir de ellas se transfiere a patrones testigos, K29 y PTB47, y a un juego de 11 pesas cilíndricas de 1 kg de las mismas características que las identificadas con la letra K, cilíndricas de igual altura que diámetro.
Para el procesamiento de los datos de diseminación nuestro laboratorio cuenta con un software propio, desarrollado en Visual C++, el cual esta basado en la resolución de sistemas de ecuaciones sobredeterminados por aplicación del método de cuadrados mínimos. Ingresando los datos de uno o mas patrones (valor nominal, error y densidad) y la matriz correspondiente al esquema de medición elegido es posible obtener, a partir de las comparaciones individuales, los valores de todas las incógnitas con sus respectivas incertidumbres. El programa también toma en cuenta los datos ambientales obtenidos durante la medición lo cual permite realizar las correcciones debidas al empuje del aire ya que en general se comparan pesas de diferentes densidades. Estas correcciones resultan relevantes cuando se trabaja con pesas de clase "E0" y E1 .
Como ejemplo se muestra un esquema de medición utilizado en la transferencia de los patrones primarios de 1 kg a los secundarios.
Esquema de comparación
K30 PTB48 K29 PTB47
Valores obs. [µg]
-1 +1
0
0
-28,89
-1
0 +1
0
-267,50
-1
0
0 +1
-192,36
0
-1 +1
0
-224,50
0
-1
0 +1
-134,86
0
0 -1 +1
+100,56
Densidad del aire en la medición: (1,204 ± 0,001) mg/cm3
K30: 1 kg + 0,112 mg ± 0,013 mg (k=1) densidad:7,949 g/cm3
Resultados obtenidos: PTB48: 1kg + 0,920 mg ± 0,060 mg, densidad: 7,957 g/cm3 K29: 1kg + 0,842 mg ± 0,060 mg, densidad: 7,949 g/cm3 PTB47: 1kg + 0,781 mg ± 0,060 mg, densidad: 7,957 g/cm3
4º Jornadas de Desarrollo e Innovación, Noviembre 2002
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La estabilidad de las condiciones ambientales es fundamental durante la realización de las comparaciones. El laboratorio cuenta con una sala controlada en temperatura (± 0,3 °C por hora) y humedad (aprox. 40 % con un máximo de ± 3 % en 4 horas). Una serie de cuatro comparadores de masa permiten diseminar desde 1 kg a múltiplos y submúltiplos. Sus capacidades son:
5 g con resolución ± 0,1 µg / 50 g con resolución ± 1 µg
1 kg con resolución ± 1 µg / 10 kg con resolución ± 100 µg
MEDICIÓN DE RUGOSIDAD
La calidad de la superficie de los patrones es fundamental para la conservación de la masa. Por ello, la rugosidad superficial es un parámetro importante a controlar dado que a mayor rugosidad mayor superficie de intercambio con el medio ambiente. Los fenómenos que se manifiestan en las superficies son los de absorción y adsorción. La recomendación R-111/94 establece tolerancias máximas admisibles para la altura promedio entre pico y valle (Rz). Estas se indican a continuación:
Clase
E1
E2
F1
F2
Rz (µm) 0,5
1
2
5
Para la evaluación de dicho parámetro
se ha construido un juego de doce patrones
de rugosidad de forma cilíndrica, cuyas caras
superiores representan las distintas etapas de
pulido en la fabricación de pesas de clase E.
Se han escaneado en un microspio electróni-
co de barrido para ser comparadas con los
resultados obtenidos de un rugosímetro me-
cánico. En las fotos se muestran los cilindros
de mayor y menor rugosidad y las correspon-
diente del microscopio electrónico.
MEDICIÓN DE SUSCEPTIBILIDAD MAGNÉTICA
La evolución del principio de funcionamiento de los instrumentos de pesar, desde los sistemas mecánicos hasta los de compensación electromagnética de fuerzas, ha impuesto la necesidad de la determinación de las características magnéticas de los patrones de masa. Una pesa que exceda los valores
máximos de susceptibilidad, χ, altera la indicación de la balanza. La R-111/94 establece dichos valores (ver tabla).
Clase
E1
E2
F1
≥ 100 g 0,010
0,020
0,07
< 100 g 0,025
0,075
0,25
≤1g
0,120
0,370
1,20
F2 0,21
0,75
Para la medición de dicho parámetro se adaptó a nuestras posibilidades el dispositivo propuesto por el Dr. R. Davis (BIPM).
Se utilizan dos cilindros magnéticos de altura 2,5 mm y diámetro 5 mm, cuyo eje de magnetización coincide con su eje geométrico. El principio de medición requiere de la distancia que separa la pesa a controlar de los cilíndros magnéticos, de las dimensiones y forma de la pesa, del valor de la aceleración de la gravedad del lugar, de la diferencia de masa detectada en el comparador (50 g, reso-
lución ± 1 µg) y del valor del campo magnético calculado. Se utiliza en las mediciones un calibre de altura y un laser para lograr el mejor centrado del sistema.
Mediciones realizadas:
Valor Nominal
100 g 100 g 500 g 500 g
Forma
cilíndrica internacional
cilíndrica internacional
Susceptibilidad
magnética (χ)
0,011 0,011 0,110 0,015
Para mayor información contactarse con: Mirta Passarino – passarin@inti.gov.ar
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