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Aspectos de la Función Metrológica

Selección de equipos a calibrar

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La experiencia indica que no es posible asumir toda la calibración de los equipos disponibles en la empresa, partiendo de cero en la Función Metrológica (FM) de la misma, ni es posible plantear la automatización total de los procesos de metrología debido a que la FM es un medio y no un fin en sí misma para el proceso productivo.

El presupuesto de los equipos que se deben calibrar debe contemplar un periodo de transición para ir asumiendo progresivamente todas las tareas posibles y rentables económicamente en metrología, así como su posible automatización.

Siempre existen equipos que no se podrá calibrar dentro del laboratorio y que se deben sacar fuera del mismo, al mismo tiempo no todos los equipos se pueden llevar al nivel más alto de automatización debido a los costes que ello acarrearía.

El balance entre patrones a calibrar, equipos calibrados y posible automatización de los mismos debe describirse. Además, se debe justificar la inversión en patrones adecuados y calibración interna respecto al coste de calibrar solamente los equipos de forma externa.

El coste es tanto económico, como de tiempo del equipo fuera de la empresa, pérdida de información,… Por tanto se debe evaluar dicho coste con la información suministrada por los responsables de las áreas implicadas de la empresa.

Para saber si la inversión en un patrón y/o automatización del proceso es rentable se debe evaluar el número mínimo de equipos a calibrar internamente que equilibra la balanza.

Una primera aproximación a este cálculo se expresa en el siguiente ejemplo, que para un equipo cualquiera sería:

Teniendo en cuenta que la amortización de los patrones se realiza en un número de años determinado, el coste por mantenimiento del patrón para la calibración de dicho equipo sería:

X1 = (amortización anual + certificación anual) · % Cuota de participación en calibración sobre el equipo de medida frente al trabajo total con los demás equipos.

El coste anual externo de un equipo en un laboratorio acreditado supone:

X2 = calibración + certificado + gestión (portes, administrativos,…)

El coste de la calibración interna del equipo con el patrón sería:

X3 = (precio estimado por hora técnico · número de horas)

El número mínimo de equipos (N) que equilibra la balanza de costes externos e internos sería:

N · X2 = N · (X3 +(X1 /N))                                               

Despejando N:

 N = X1 / (X2 – X3)                                                   

Es decir, la balanza de costes (inversión en patrones + calibración interna frente a calibración externa) se equilibra si se calibran N equipos al año de estas características.

Esta ecuación tiene un límite inferior que es cuando X3 ≥ X2 que indica que no sería rentable nunca al ser mayor el coste interno de calibración que el coste externo.

La variable automatización implicaría unos costes dependiendo del nivel al que se pretende llegar. Al mismo tiempo que el coste de la calibración interna disminuye al tener menos tiempo de proceso humano.

En este caso la fórmula final sería la misma pero se tiene que replantear el cálculo de X3. El coste del mantenimiento del patrón así como su amortización variarán en función del nivel de automatización que tenga.

¿ Por qué calibrar los instrumentos de medida?

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La palabra tolerancia se asume en el lenguaje común como la direfencia que se admite para determinar si algo se encuentra dentro de la norma con la que se compara.

Si hablamos de productos que salen de una fabricación, la tolerancia sería la variabilidad admitida para asumir que un producto se ajusta o no al plano de fabricación o la especificación determinada.

Para comprobar que los productos se ajustan a las tolerancias marcadas en el plano o especificaciones de fabricación, y por lo tanto que cumplen con los requisitos para los cuales se proyectan, utilizamos los equipos de medida que nos permiten comparar los elementos fabricados con dichas especificaciones.

Es decir, tomamos decisiones en función de las medidas que nos ofrecen los instrumentos de medida. ¿ Pero que ocurre si el instrumento no da medidas fiables?

  • Cualquier instrumento de medida procede también de una fabricación y por lo tanto cada una de sus partes está sujeta a una variabilidad. Esto implica que dos instrumentos iguales pueden tener comportamiento diferente a la hora de dar resultados de medida.
  • Con el tiempo, las distintas partes de un instrumento de medida pueden cambiar de especificaciones por envejecimiento de los materiales o desgastes.

Estas y otras causas provocan que los intrumentos estén sujetos a una variabilidad en su comportamiento, que en metrología se denomina Incertidumbre de medida, la cual debemos conocer para poder utilizarlo.

Para poder determinar la Incertidumbre de medida de un equipo se utiliza la calibración que se puede realizar en la propia empresa, si se disponen de los patrones de medida adecuados, o se realiza en los laboratorios acreditados para dicho fin.

Entrenador con Arduino

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Entrenador con Arduino

Entrenador con Arduino

En los proyectos de prototipado rápido está cada vez más de moda utilizar sistemas Open Source Hardware (OSH) que ofrecen una extraordinaria facilidad de uso al tiempo que garantizan unos resultados a coste reducido.

Los sistemas OSH han permitido un sencillo acceso a los interesados (profesionales o aficionados) para desarrollar ideas que por la complejidad técnica y/o económica no permitían desarrollar con facilidad en otro momento.

Procesar diferentes escenarios de nuestro proyecto pueden provocar un desorden si no se tiene bien documentada cada una de las variantes.

Utilizar software como Fritzing para esquematizar nuestro proyecto o un entrenador basado en los elementos que vamos a utilizar en el desarrollo de nuestro prototipo minimizan las posibilidades de error al tiempo que facilitan los cambios de las distintas variantes.

Una de estas alternativas es la que os propongo. Utilizando una base de metacrilato de 2,5 mm que se puede cortar con cierta facilidad con cutter de hoja ancha puede dimensionarse un espacio idóneo para situar la placa de desarrollo del microcontrolador, en este caso un arduino mega, la protoboard donde colocar los distintos sensores y dispositivos que componen las variables… así como una pantalla para hacer el seguimiento del programa de forma autónoma y un teclado numérico para introducir información durante la ejecución de los programas (denominado «sketch» en el caso del sistema arduino).

Este entrenador permite probar desde sistemas básicos para el aprendizaje del lenguaje de programación para el microcontrolador elegido hasta sistemas más complejos como pueden ser los sistemas de mando de una máquina a medida para un proyecto de ingeniería.

No debemos olvidar que la sencillez no debe ocultar la potencia de un sistema de estas características y que a partir de este tipo de prototipado se pueden desarrollar sistemas industrialmente viables, con costes de desarrollo más que asequibles.

Con estos sistemas OSH como decía Massimo Banzi, uno de los más activos desarrolladores de la plataforma arduino… «Ya no necesitas permisos para hacer algo alucinante».

Esquema del entrenador

Esquema del entrenador

 

 

 

 

Detalle del entrenador con una prueba

Detalle del entrenador con una prueba

 

Clasificación de Instrumentos de medida en Metrología Dimensional

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Para poder encuadrar un equipo de metrología dentro de un procedimiento de calibración, inicialmente se debe conocer sus características constructivas y su forma de uso. Existen diferentes formas de clasificar los equipos de metrología:

 Según el Centro Español de Metrología:

La Clasificación de Instrumentos de Metrología Dimensional (1) clasifica los instrumentos teniendo en cuenta:

–          Categoría metrológica.  Depende de la función que realiza el equipo en la estructura de la FM en la empresa.

–          Magnitudes físicas mensurables. Macrogeométricas si son dimensiones, formas, posiciones y oscilaciones. Y microgeométricas si se trata de calidad superficial.

–          Sistemas de amplificación. El equipo recibe la señal en el elemento sensible y lo transmite al elemento donde se observa el resultado mediante uno de estos tipos de sistemas de amplificación.

–          Sistema de medidas. Es la forma en la que se llega al resultado desde el punto de vista del mensurando (directas / indirectas) o respecto al equipo de medida y forma de uso (absolutas / diferenciales).

Tabla 1. Clasificación de equipos de metrología dimensional según el CEM

Tabla 1. Clasificación de equipos de metrología dimensional según el CEM

 Por el tipo de salida de Datos:

Desde el punto de vista de la automatización de procesos de calibración, este tipo de clasificación es de gran interés dado que es la forma en la que los equipos se entienden con su entorno, con la limitación y ventaja según la forma en la que sale la señal medida. En este sentido se clasifican en:

Analógicos: Instrumentos que asocian un valor continuo de salida a la medida que realiza en la entrada el elemento sensible del equipo.

Digitales: Instrumentos que asocian un valor discreto de salida a la medida que realiza en la entrada el elemento sensible del equipo.

Un equipo analógico puede tener como salida una señal eléctrica o mecánica aunque su lectura sea discreta, mientras los equipos digitales se basan en un muestreo de la señal y aporta una señal discreta a la salida.

La ventaja en la utilización de uno u otro tipo de instrumento depende del uso. Así pues, tanto los instrumentos de medida absoluta como los comparadores para medida diferencial, han de ser calibrados previamente con patrones, pero los segundos necesitan además, la intervención de los mismos en cada medida que con ellos se realiza.

Los equipos con salida digital pueden ser computados de forma directa mientras que los que tienen salida analógica necesitan de una adecuación de la señal mediante equipos que transformen la señal para ser procesada por sistemas computerizados. Sin embargo, en otros casos lo que se necesita es una señal analógica eléctrica de salida para definir un nivel de precisión muy alto en la determinación de una medida.

Figura 1. Portada. Clasificación de Instrumentos de Metrología

Figura 1. Portada. Clasificación de Instrumentos de Metrología

 Referencias:

(1) –  Clasificación de Instrumentos de Metrología Dimensional. Editorial/NIPO/ISBN: 165-02-003-4. España. 2002.

Tolerancia del mensurando frente a Incertidumbre del equipo

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Una vez que tenemos calibrado el equipo de medida nos queda verificar si puede mantenerse en el puesto de medida donde lo tenemos asignado.

Inicialmente podríamos decir que el equipo debe medir aquellas cotas cuyo resultado no quede en cuestión por la incertidumbre de medida del equipo. Es decir, no podemos medir una cota que tengamos que asegurar hasta la centésima de milímetro (0,01 mm) con un equipo tiene una incertidumbre de medida de una décima de milímetro (0,1 mm).

Por otro lado tampoco es correcto matar mosquitos a cañonazos, midiendo esa misma cota con un equipo que mida una centésima de micrómetro (0,000 01 mm).

¿ Que criterio utilizamos entonces?

El criterio clásico es asignar los equipos de medida en función de la relación entre la Tolerancia (T) de la cota a medir frente a la Incertidumbre de medida (U) del equipo. Esta relación es 3 ≤ T/2U ≤ 10.

En la relación que queda a la izquierda tendremos que  6U ≤ T. Esta es suficiente para la mayoría de las aplicaciones.

Hay que tener en cuenta otros aspectos que implican que un equipo pueda cambiar su función si con el tiempo va perdiendo precisión y va aumentando su incertidumbre. Por ejemplo, cuando se planifique su identificación es preferible no asociar el código a un departamento concreto ya que si se varía su ubicación por motivo de una reasignación en función de su incertidumbre, entonces habría que variar su número por lo que su trazabilidad sería más complicada de mantener.

Metrología Dimensional

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Es la línea técnica básica de la metrología aplicada a la industria que comprende los equipos de medida de longitudes y ángulos.

El objetivo de la metrología dimensional es determinar si cualquier pieza fabricada es conforme con las especificaciones establecidas en plano.

Para determinar si las distintas medidas de la pieza se encuentran dentro de tolerancia es preciso compararlas con una unidad de su misma especie que se adopta como patrón. Al tomar la medida se debe determinar cuantas veces se halla la unidad de comparación contenida en aquella.

La metrología dimensional se aplica en la medición de longitudes (exteriores, interiores, profundidades, alturas) y ángulos, así como la evaluación del acabado superficial.

Se puede apreciar, con un ejemplo, la importancia que tiene la medida. Si se presenta la necesidad de hacer una serie de piezas que han de trabajar unidas entre sí, como si fuesen una sola. Las piezas son distintas, pero una vez unidas forman un conjunto bien definido (ver Figura 1).

Figura 1. Ejemplo de interacción de piezas

Figura 1. Ejemplo de interacción de piezas

Suponiendo que del conjunto anterior la pieza cilíndrica A la realiza un tornero, mientras que la pieza rectangular B, la realiza otro operario haciendo un taladro en una placa. Pues bien, si cada uno de estos operarios realiza su trabajo por separado y de forma independiente, podrá ocurrir que la pieza cilíndrica A sea mucho mayor  que  el  taladro que el otro operario ha realizado en la placa rectangular B y, en este caso, no podrán unirse ambas piezas, por lo tanto el conjunto no cumpliría su fin (ver Figura 2).

Figura 2. Ejemplo de interacción de piezas

Figura 2.

O también se podría dar el caso contrario, quedando entonces una holgura que podría hacer imposible el trabajo normal de las dos piezas entre sí (ver Figura 3).

Figura 3. Ejemplo de interacción de piezas

Figura 3.

Se ve pues la necesidad imperiosa de disponer de medios, que hagan posible unas medidas precisas que aseguren la producción para una unión acorde al fin. Todo esto solo es posible si se dispone de métodos y equipos de medida que permitan comprobar con precisión, las dimensiones de cada una de ellas.

D. Leonardo Villena Pardo

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El perfil humanista de una persona excepcional como Leonardo Villena Pardo se puede percibir leyendo algunas notas del libro homenaje que sus amigos y compañeros de profesión le dedicaron en su 75 aniversario (1992). Donde escribió:

» Mis vivencias transcendentes (incluyendo alguna sanación milagrosa, en mis propias barbas de racionalista incrédulo) me sugieren que Dios no es solo el origen de la Materia, la Energía y las Leyes Universales (del big-bang), sino, también, el origen del Amor, sin el que la vida no tendría sentido. El hombre que no recibe materia, muere. Pero también muere el que no recibe amor».

 

El perfil profesional de un Físico y Metrólogo brillante exigiría un tratado más extenso que esta entrada del blog. El próximo día 15 de mayo se cumple el 95 aniversario del nacimiento del que considero uno de los padres de la metrología moderna en España y me gustaría con esta reseña hacer un homenaje a su persona.

Leonardo Villena, participó en los más importantes foros de conocimiento de la época, transmitiendo con acierto las líneas técnicas que se estaban consolidando en Europa tras la Segunda Guerra Mundial. Y que históricamente ha desembocado en la infraestructura actual del Sistema de Calidad en España.

Le debemos buena parte del prestigio que tuvimos en dichos foros metrológicos internacionales, su capacidad para aglutinar sinergias de las más diversas personas e instituciones para que cada uno aportase lo mejor y que España fuese respetado como miembro consultivo en dichos foros.

El busilis del blog

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Don Leonardo Villena Pardo solía decir que «a veces lo mejor es enemigo de lo bueno» para explicar que había que empezar a escribir las ideas sin esperar a que ese primer documento fuese perfecto como el resultado final, porque si esperábamos a publicar el mejor resultado este nunca llegaría.

Así, cuando se enfocaba una nueva publicación en el Comité de Metrología de la Asociación Española para la Calidad, lo óptimo era partir de un borrador para evitar hablar sobre un papel en blanco. Esto implicaba estar sujeto a críticas por encontrarse la información en las primeras fases de desarrollo, por lo que D. Leonardo con su carisma y desde su conocimiento como uno de los padres de la metrología moderna en España nos animaba constantemente.

El ejemplo de personas que me han aportado tanto como D. Leonardo me mueve ahora a escribir sobre mi experiencia en Metrología y su aplicación efectiva.

Pido disculpas por anticipado, ya que el busilis de la cuestión es precisamente acertar según el criterio de todos los que dediquen su tiempo a leer en este blog… y es por eso que agradezco que las personas que se acerquen hasta aquí nos enriquezcan con su experiencia.