Universidad de Costa Rica
Laboratorio Nacional de Materiales
y Modelos Estructurales
LanammeUCR
Metrología de fuerza
aplicada a laboratorios de
ensayo
Preparado por:
Ing. Humberto Tioli
Ing. Alejandro Navas
23 de Mayo 2012
Introducción
La magnitud fuerza está presente en muchos aspectos
de nuestro quehacer cotidiano.
Entre las aplicaciones más comunes de la metrología de
fuerza se tienen:
•Industria: procesos de fabricación, control de calidad
de producto terminado.
•Ingeniería: diseño.
Introducción
•Construcción: control de calidad de materiales.
Introducción
• Salud: biomecánica y
ciencia del deporte.
• Investigación
Introducción
En los campos de aplicación mencionados, una de sus
funciones principales se da en la parte de ensayos de
laboratorio.
De ahí la importancia de profundizar en el rol que
cumple la magnitud fuerza en la realización de ensayos,
con el fin de garantizar la validez técnica de las
mediciones que se realizan.
Introducción
Esta entrega se enfoca de manera general en aquellos
factores que se deben tomar en cuenta para mantener
apropiadamente el equipo de fuerza que se utiliza en
los laboratorios
de ensayo, específicamente las
máquinas de fuerza, desde el punto de vista
metrológico y de mantenimiento.
La información que se presenta es útil para cualquier
laboratorio de ensayo que utilice máquinas de fuerza,
independientemente si operan o no bajo un sistema de
gestión de calidad basado en la norma INTE-ISO/IEC
17025:2005.
Concepto de fuerza
Concepto de fuerza: segunda ley de Newton, la cual
establece que la fuerza es proporcional a la aceleración
que adquiere dicho cuerpo. Lo anterior se resume en la
siguiente expresión matemática:
F = ma
m: masa del cuerpo
a: es la aceleración.
La magnitud fuerza es una unidad derivada de la
magnitud masa.
Conceptos de fuerza
De acuerdo con el Sistema Internacional de Unidades,
la fuerza se expresa en newton (N).
En nuestro país es obligatorio el uso del SI. Las
mediciones de fuerza se deben reportar en newton o
utilizando sus múltiplos o submúltiplos.
Es muy común el uso del kilonewton (kN), o el
meganewton (MN) debido a que el newton como tal,
representa una fuerza muy pequeña.
Unidades de Fuerza
Existen otra unidades para la magnitud fuerza que poco
a poco van dejando de utilizarse con el fin de ir dando
paso al SI.
1 kgf equivale a 9,80665 N
1 lbf
equivale a 4,448222 N
1 dina equivale a 0,00001 N
Dispositivos para medición de fuerza
No es posible ver una fuerza, pero si es posible
observar sus efectos o manifestaciones: movimiento,
deformación.
Ejemplo: la fuerza de la gravedad
Dispositivos para medición de fuerza
Utilizar dispositivos para la medición de fuerza
basados en su definición es poco práctico.
Por eso se han ideado instrumentos para la medición
de fuerza basados en una de sus manifestaciones: la
deformación (Ley de Hooke) y que aprovechan las
propiedades elásticas de ciertos materiales, como el
acero.
F=k x
La cantidad de estiramiento (x) o de compresión
(cambio de longitud), es directamente proporcional a
la fuerza aplicada (F).
Dispositivos para medición de fuerza
Los dispositivos más comunes para la medición de
fuerza es el anillo de carga, también conocido como
anillo de prueba o anillo elástico y los transductores
de fuerza, también llamados celdas de carga.
Fuerza y Laboratorios de Ensayo
En Costa Rica, la magnitud fuerza se utiliza para
ensayos en:
•Papel y cartón
Fuerza y Laboratorios de Ensayo
•Cemento y concreto,
•Geotécnia , suelos
Fuerza y Laboratorios de Ensayo
•Estructuras
Fuerza y Laboratorios de Ensayo
•Cables eléctricos
Fuerza y Laboratorios de Ensayo
•Láminas de Fibrocemento
•Adhesión de pinturas, morteros y pegamentos
Fuerza y Laboratorios de Ensayo
•Mezclas bituminosas (mezcla asfáltica)
Fuerza y Laboratorios de Ensayo
•Ensayos de tela
Fuerza y Laboratorios de Ensayo
•Aceros
•Hules
Fuerza y Laboratorios de Ensayo
La mayoría de los laboratorios de ensayo realizan
pruebas destructivas en materiales, piezas o
componentes, donde la magnitud fuerza interviene
directamente, con el fin de determinar propiedades
mecánicas, donde la principal es la resistencia.
Fuerza y Laboratorios de Ensayo
En Costa Rica, una buena parte de los laboratorios de
ensayo están enfocados en materiales de
construcción
Las máquinas de ensayo más comunes son las de falla
de cilindros de concreto.
Fuerza y Laboratorios de Ensayo
Máquinas de ensayos para mezclas asfálticas y suelos
Fuerza y Laboratorios de Ensayo
•Máquinas de ensayos universales
Configuraciones típicas de las
máquinas de ensayos
Máquina de falla de cilindros de concreto
Configuraciones típicas de las
máquinas de ensayos
Máquina de ensayos baja capacidad
Cuidados del equipo
1. Máquina de ensayos bien instalada, en un sitio donde
quede firmemente apoyada, minimizando el riesgo de
que se vaya a caer.
Cuidados del equipo
2. Máquina de ensayo limpia.
3. Cabeza de carga en buen estado y bien aceitada.
Cuidados del equipo
4. Es deseable que cuando se utilizan indicadores
electrónicos, estos cuenten con protección contra
picos de voltaje (supresor de picos o una ups).
5. Cuando el equipo lo permita, durante una calibración
se debe liberar la carga gradualmente cuando se ha
alcanzado el punto de calibración máximo.
Cuidados del equipo
IMPORTANTE!
En el caso de máquinas de
ensayo hidráulicas, se debe
prestar especial atención a no
sobrepasar la carrera máxima
del pistón, pero tampoco el
pistón debe trabajar en la
posición de cero
desplazamiento (totalmente
sentado).
Atención
Mantenimiento del equipo
1. Revisión y lubricación periódica de la cabeza de carga.
Usar aceite, no grasa.
2. Revisión y corrección de fugas de líquido hidráulico.
3. Cambio de líquido hidráulico. Seguir indicaciones del
manual del fabricante para especificaciones de este
líquido.
4. Calibración periódica.
Mantenimiento del equipo
5. Se debe calibrar o por lo menos comprobar el equipo
después de una reparación, cambio de aceite u otro
relacionado, para asegurarse de que la máquina sigue
reportando datos confiables.
6. Revisión o cambio de fajas (máquinas con mecanismos
tipo motor-tornillo).
7. Revisión de conectores de cables de celda de carga.
Calibración
Métodos de calibración, basados en las normas
internacionales:
•ASTM E4
•ISO 7500-1
Calibración
Resumen comparativo entre requisitos de normas internacionales para
calibración de máquinas de fuerza y el IT-LF-01**
Características según
norma
Precargas
IT-LF-01
3 en 0º y una antes de
cada serie de carga.
Tiempo de precarga
Más de 60 s
Tiempo entre series
Al menos 30 s
ASTM-E4
Las necesarias para
asegurar una lectura de
cero estable.
--------No indica un tiempo
determinado. Debe ser
uniforme
No. de series en orden
ascendente
3
Al menos 2
No. de series en orden
descendente
2*
* Se realiza cuando la
máquina se utiliza con
carga decreciente.
Series de cargas
Número de fuerzas
Temperatura estable
Intervalo de
temperatura
Conexión de
dispositivos a energía
eléctrica
Error de cero
Fuerza mínima
0º, 120º y 240º, opción
0º, 180º y 360º
Por lo menos una para
cada intervalo de 10%
de la escala,
procurando espaciarlas
de forma equitativa y
respetando los
disposiciones del
cliente en cuanto a la
carga máxima a la cual
se puede llevar la
máquina.
± 2 ºC
ISO-7500-1
3 en 0º y una antes de
cada serie de carga
-----------Al menos 30 s
3
0º
0º , 120º y 240°
Al menos 5
Al menos 5 en intervalos
aproximadamente
iguales entre el 2% y el
100% del rango del
indicador o escala
± 1 ºC
± 2 ºC
No se especifica
No se especifica
10 ºC a 35 ºC
--------
--------
----------
30 s después de cada
descarga
30 s después de cada
descarga
200*resolución
30 s después de cada
descarga
* Opcional.
** Confeccionada con base en la tabla 6.2, página 54, del documento CNM-MMF-PT-004 publicado por CENAM en octubre de 2005.
Calibración
Patrones típicos para calibración de máquinas de
fuerza para ensayos
Calibración
Trazabilidad hacia patrones primarios de fuerza.
Ejemplos de patrones de masas suspendidas:
NIST, Estados Unidos
Calibración
Trazabilidad hacia patrones primarios de fuerza.
Ejemplos de patrones de masas suspendidas:
SIC, Bogotá,
Colombia
Calibración
•No olvidar que aquellas máquinas de fuerza para
ensayos que tienen medidores de deformación o de
desplazamiento, también deben ser calibrados con
patrones adecuados
•Bloques patrón, deformímetros patrón o LVDT de
referencia.
Calibración
Calibración ≠ ajuste
Calibración comparar contra el patrón, reportar el
error y la incertidumbre expandida
Ajuste: manipular la máquina o instrumento para
compensar o minimizar el efecto sistemático de las
diferencias con el patrón
Calibración
Parámetros y errores máximos permisibles
ASTM E4: 1 %L
ISO 7500-1: entre 0,5 %L y 3 %L
Fuente: norma ISO 7500-1, año 2004, versión en español
Qué pasa si la máquina está fuera de
especificación y no se puede ajustar?
Corregir lecturas.
Ecuaciones de ajuste
No permitido por ASTM E4
•Declarar que no se cumple con ese parámetro de
ASTM E4.
•De acuerdo con lo que especifica INTE-ISO/IEC
17025:2005, se deben validar las desviaciones a los
métodos de ensayos, en este caso, donde se aplica la
corrección de datos
Definición de intervalos de calibración
De acuerdo con INTE-ISO/IEC 17025:2005 se debe
calibrar antes de su puesta en operación, o al menos
comprobar.
No se puede asumir que por el simple hecho de que
el equipo está nuevo, sus errores están dentro de
especificación.
Definición de intervalos de calibración
Definidos por el usuario basado en historial de
calibraciones previo, severidad de uso y su
experiencia.
Orientación basada en normas internacionales:
ASTM E4-09: 1 año, o más seguido si se requiere, sin
sobrepasar los 18 meses.
ISO 7500-1 (2004): 1 año.
Comprobaciones intermedias
1. Sirven para mantener la confianza en el estado de
calibración de los equipos.
2. Se deben realizar de acuerdo con un procedimiento
definido.
3. La periodicidad de estas comprobaciones las define el
usuario con base en la severidad e uso del equipo y su
experiencia. El historial puede ser útil para determinar
estos intervalos.
4. Los patrones utilizados deben estar calibrados y con
trazabilidad.
Factores que afectan las mediciones
en máquinas de fuerza para ensayos
•Velocidad de carga, seguir parámetros de normas de
ensayo.
•Pericia del operador
•Calibración y ajuste de dispositivos complementarios
para medición de deformaciones o desplazamiento.
•Mantenimiento, principalmente de las cabezas de carga
•Calidad de la corriente eléctrica. Protección del indicador.
•Fugas, en el caso del equipo hidráulico.
•Alineamiento de los marcos de carga.
•Intercambio de piezas, indicadores u otros componentes
entre máquinas sin realizar ajustes o calibraciones.
Conclusión
En
general,
los
laboratorios
de
ensayo,
independientemente si funcionan bajo un esquema
de calidad apegado a la norma INTE ISO/IEC
17025:2005 o no, deben velar por la validez técnica
de las mediciones que realizan, en este caso
específico, las relacionadas con la magnitud fuerza.
Conclusión
Las mediciones que realizan los laboratorios de ensayo,
principalmente en fuerza, repercuten directamente en
nuestra vida cotidiana, porque generalmente van
relacionadas con la seguridad humana en obras civiles
(edificios, carreteras, puentes) o máquinas, entre ellas
automóviles y aviones.
Conclusión
Para ello se deben atender aspectos que van desde su
mantenimiento, calibración hasta las buenas prácticas de
laboratorio, para asegurar y demostrar que los equipos
de fuerza son adecuados para el fin propuesto.
LanammeUCR
¡Gracias por su atención!
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Metrología de fuerza aplicada a laboratorios de ensayo