INTRODUCCIN A LA METROLOGA

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INTRODUCCIÓN A LA METROLOGÍA Curso Académico
2009-10
Rafael Muñoz Bueno Laboratorio de Metrología y
Metrotecnia LMM-ETSII-UPM
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TEMA 7. Patrones materializados de longitud.
Instrumentación asociada a su medida.
Índice

• Bloques patrón longitudinales (BPL).
• Columnas de bloques patrón escalonados.
• Barras de extremos.
• Reglas a trazos y codificadas (encoders).
• Patrones de diámetro (interiores y exteriores)
• Instrumentación en medida de PMLs.
• Calibres pie de rey.
• Micrómetros.

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Bloques patrón longitudinales, BPL
Definición de BPL
Los bloques patrón son patrones de longitud que
materializan fracciones de la unidad de longitud,
el metro, del Sistema Internacional de unidades
(SI). Dependiendo del tipo de aplicación y de la
calidad requerida se fabrican en diferentes
grados. En definitiva los bloques patrón son la
primera materialización física del enlace de la
cadena de trazabilidad entre el patrón primario y
los demás instrumentos.

• Lado izquierdo de la cara de medida.
• Lado derecho de la cara de medida.
• Cara de medida sin marcar.
• Cara de medida marcada.
• Caras laterales.
• Cara lateral marcada.

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Bloques patrón longitudinales, BPL
El ingeniero sueco C. E. Johansson fue el
inventor de este tipo de patrones, los cuales
constituyen el primer tipo de patrón
materializado, y el más utilizado tanto en
laboratorios de metrología como en el plano
industrial. El material utilizado en la
realización de los bloques posee una dureza
superior a 62 HRC, con el fin de evitar el
posible rayado y un desgaste prematuro sus
longitudes nominales normalizadas van desde 0,5
mm hasta 1 m, con intervalos incluso de 1
µm. Prácticamente todas las normas nacionales
aplicables a estos patrones se basan en la norma
ISO 3650, la cual prevé cuatro clases de
precisión K, 0, 1 y 2, fijando para cada una,
las tolerancias permitidas respecto a la longitud
nominal, así como las de planitud y variación de
longitud. Como material constructivo se utilizan
el acero, el carburo de tungsteno (con menor
coeficiente de dilatación y mayor dureza que el
acero) así como materiales cerámicos (ZrO2), los
cuales presentan la ventaja de no ser oxidables.
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Bloques patrón longitudinales, BPL

• Los bloques patrón se suministran normalmente en
  los siguientes juegos
• Longitud nominal lt100 mm
• - 11 piezas (juegos especiales para micrómetros)
• - 43 piezas
• - 86 piezas
• - 112 piezas
• - 122 piezas (y más recientemente un juego de
  121 piezas)
• Longitud nominal gt100 mm
• - 125 mm - 400 mm - 1000 mm
• - 150 mm - 500 mm
• - 175 mm - 600 mm
• - 200 mm - 700 mm
• - 250 mm - 800 mm
• - 300 mm - 900 mm

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Bloques patrón longitudinales, BPL
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Bloques patrón longitudinales, BPL
Longitud de un bloque patrón, l
Según la norma UNEEN-ISO 3650 se define la
longitud de un bloque patrón longitudinal como
La distancia perpendicular entre cualquier punto
de la cara de medida y la superficie de una base
auxiliar del mismo material y rugosidad (acabado
superficial) sobre la cual la otra cara de medida
ha sido adherida. La desviación de longitud de
cualquier punto respecto de la longitud nominal
es l-ln.
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Bloques patrón longitudinales, BPL
Defecto de planitud de un bloque patrón, fd
Según la norma UNEEN-ISO 3650 se define el
defecto de planitud de un bloque patrón
longitudinal, fd como La mínima distancia entre
dos planos paralelos, entre los que están
contenidos todos los puntos de la cara de medida.
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Bloques patrón longitudinales, BPL
Adherencia entre diferentes bloques patrón
Una de las particularidades de los bloque patrón
y que debemos a C. E. Johansson es la posibilidad
de combinarlos de tal forma que podamos conseguir
cualquier longitud para utilizarlos para calibrar
o medir otros objetos. Esto se consigue gracias
a la buena planitud de las caras de medida, por
lo que podemos adherirlos entre si. La
adherencia es la propiedad de las caras de medida
de los bloques para pegarse a otras caras de
medida, u otras bases de similar acabado
superficial gracias a fuerzas moleculares.
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Bloques patrón longitudinales, BPL
Variación en longitud de un bloque patrón, ?
Según la norma UNEEN-ISO 3650 se define la
variación en longitud de un bloque patrón, ?
como Diferencia entre la longitud máxima lmax y
la longitud mínima lmin del bloque. v lmax -
lmin fo fu fo lmax - lc fu lc
lmin te Errores límites de longitud desde
cualquier punto al ln
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Bloques patrón longitudinales, BPL
Marcado de los bloques patrón

• Los BPL van marcados de la siguiente manera
• Cada bloque llevará marcado su longitud nominal.
• Si se indica el grado de calidad en el bloque,
  deberán llevar las siguientes marcas
• Grado calibración K (Bloques patrón de
  referencia INM, lab. acreditados)
• Grado 0 0 (Bloques patrón de referencia en
  empresas)
• Grado 1? (Bloques de transferencia
  Instrumentación de medida en producción)
• Grado 2 (Bloques patrón estándar Ajuste de
  maquinaria en producción)
• Los bloques Grado K y Grado 0 deberán llevar
  marcado su número de serie.
• Los BPLgt100 mm llevaran unas marcas en sucara
  lateral a 0,211 L mm de las caras de medida
  (puntos de Airy)

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Bloques patrón longitudinales, BPL
Errores límite y tolerancias al valor nominal en
BPL
Calidad de BPL Errores límites de longitud
desde cualquier punto al ln Tolerancias para
la variación de longitud
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Bloques patrón longitudinales, BPL
Tolerancias de planitud de BPL
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Bloques patrón longitudinales, BPL
Calibración de BPL

• Los bloques patrón atendiendo a su grado de
  calidad se pueden calibrar de la siguiente
  manera
• Interferometría óptica Normalmente este tipo de
  calibraciones la hacen laboratorios de Institutos
  Nacionales de Metrología, INM o laboratorios de
  muy alto nivel metrológico.
• Comparación mecánica Este procedimiento consiste
  en la comparación de un bloque con otro de
  referencia de longitud conocida y trazado al
  patrón nacional de longitud.

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Bloques patrón longitudinales, BPL
Calibración de bloques patrón por interferometría
óptica (i)
El método de calibración por interferometría
directa está basado en la utilización de la
longitud de onda de la luz como patrón para medir
la longitud del bloque. El proceso de medición
se realiza dentro de un interferómetro en el que
el haz de luz sufre una división, reflejándose la
mitad del haz en un espejo de referencia y la
otra mitad sobre el conjunto formado por el
bloque a calibrar y una base de apoyo a la que
éste se halla adherido.
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Bloques patrón longitudinales, BPL
Calibración de bloques patrón por interferometría
óptica (ii)

• Tras la reflexión de estos dos haces y su
  recombinación se forman dos espectros de franjas
  de interferencia.
• Interferencia producida entre el haz reflejado en
  el espejo de referencia y el reflejado en la cara
  de medida superior del bloque.
• Interferencia del haz reflejado en el espejo de
  referencia con el haz reflejado en la base de
  apoyo del bloque.

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Bloques patrón longitudinales, BPL
Calibración de bloques patrón por interferometría
óptica (iii)
Estos espectros de franjas se originan moviendo
ligeramente el espejo de referencia, forzando la
falta de perpendicularidad entre éste y el
conjunto bloque-base, que da lugar al fenómeno de
interferencia. La longitud del bloque puede
expresarse por un número entero de semilongitudes
de onda más un excedente fraccionario, cuyo valor
se obtiene a partir des desplazamiento relativo
existente entre ambos espectros de franjas.
La incertidumbre de calibración típica de este
método suele ser del orden de
Donde el valor de L se introduce en mm
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Bloques patrón longitudinales, BPL
Calibración de bloques patrón por comparación
mecánica

• Esta calibración se realiza en un comparador de
  bloques patrón
• Consiste en la comparación de un bloque con otro
  de referencia de longitud conocida y trazado al
  patrón nacional.
• Bloques de longitud nominal menor o igual a 100
  mm.
• Palpadores de tipo inductivo, con resolución de
  10 nm y repetibilidad del orden de 20 nm.

Donde el valor de L se introduce en mm
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Bloques patrón longitudinales, BPL
Calibración de bloques patrón por comparación
interferométrica

• Este tipo de calibración se suele utilizar para
  bloques de longitud nominal superior a 100 mm.
• La calibración se realiza en posición horizontal
  utilizando comparadores que combinan normalmente
  la interferometría con el uso de palpadores
  inductivos.
• Las piezas se sitúan sobre apoyos localizados a
  0,211 L de cada extremo, a fin de minimizarla
  flexión del bloque bajos su propio peso.

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Barras de extremos

• Se trata de cilindros de acero duro y
  estabilizado, con extremos esféricos, de diámetro
  igual a la longitud de la barra, o bien de
  extremos planos, y de longitudes variables.
• La forma primera es de mejor calidad metrológica.
  Las del segundo caso suelen utilizarse para la
  verificación de micrómetros de exteriores.
• Ciertos fabricantes suministran estos patrones
  equipados con adaptadores aislantes en baquelita
  u otro material.

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Barras de extremos
Calibración

• Calibración directa por interferometría láser.
• Mediante el uso de patrones de transferencia
  (bloques o combinación de bloques).
• Con ayuda de una máquina de medición, por
  comparación con una regla patrón.

Utilización

• Para calibración de comparadores horizontales (se
  requiere el empleo de apoyos regulables para su
  correcto alineamiento).
• Medición de grandes diámetros (mayores de 100
  mm).
• Calibración de micrómetros exteriores

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Columnas de bloques patrón escalonados (step
gauges)
Este tipo especial de patrones de longitud,
consiste en un soporte rígido, en cuyo eje de
simetría, o fibra neutra, van localizados una
serie de bloques patrón. Estos bloques, de acero,
carburo de tungsteno o cerámica, tienen
comúnmente longitudes individuales de 10 mm, y
separación variable entre caras adyacentes. Las
longitudes totales de los soportes van desde los
300 mm, hasta los 1200 mm como máximo.
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Columnas de bloques patrón escalonados (step
gauges)

• Este tipo de patrones materializados son muy
  utilizados para la calibración de máquinas de
  medición por coordenadas, ya que pueden situarse
  en diversas orientaciones espaciales, con ayuda
  de los correspondientes accesorios.
• Permiten verificar la exactitud de medida de las
  máquinas en todo su volumen de medición.
• A partir del palpado individual de cada una de
  las caras de los bloques, se obtiene una gran
  serie de distancias individuales, presentando
  ventajas respecto a los bloques patrón clásicos,
  ya que éstos únicamente definen una única
  distancia.

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Reglas a trazos

• Se trata de patrones cuya longitud nominal viene
  definida por la distancia existente entre los
  ejes de dos trazos.
• Presentan una gran variedad, en cuanto a
  material, sección, longitud, tipo y calidad de la
  escala y los trazos, precisión, etc.

Calibración
Se utiliza un comparador transversal, sobre el
que se disponen las dos reglas, una junto a la
otra. Se hacen coincidir bajo un microscopio
los trazos origen de ambas reglas, y a
continuación se van observando los sucesivos
trazos de ambas reglas, midiéndose las
desviaciones entre ambos con un micrómetro
asociado al microscopio
Utilización
Se utilizan junto con lectores ópticos que
permiten determinar la posición relativa de la
regla y de su lector con una exactitud compatible
con la de la regla. Estos lectores son
microscopios, o bien indicadores digitales.
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Reglas a trazos

• En la utilización es necesario evitar las
  tensiones y los errores procedentes de la flexión
  de la misma bajo su propio peso.
• así como respetar las instrucciones del
  constructor, en lo referente a los apoyos y a su
  posición.
• Los apoyos deben situarse a 0,220 L de los
  extremos (puntos de Bessel), estos son puntos de
  apoyo en los que se produce flexión mínima en las
  reglas graduadas.

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Reglas codificadas (encoders)
Se trata de captadores numéricos de
desplazamiento, bien incrementales, bien
absolutos. Están constituidos por una regla y un
detector. En un desplazamiento relativo entre
regla y detector, se producen variaciones del
flujo luminoso que atraviesa el sistema de las
dos redes enfrentadas. Estas variaciones
periódicas son transformadas en señales
eléctricas mediante fotodetectores.
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Reglas codificadas (encoders)
La resolución de un sistema así viene en
cualquier caso limitada desde el punto de vista
físico por fenómenos de difracción, ligados a la
longitud de onda de la luz. Hoy día, es posible
fabricar reglas con pasos muy pequeños, habiendo
aumentado también la interpolación aplicable,
llegándose a resoluciones de 0,1 µm y 0,01 µm.
Calibración
Los métodos utilizados son sofisticados basados
en interferometría de alta precisión,
conjuntamente con sistemas de detección de alto
poder resolutivo, y análisis automático de
trazos.
Utilización

• Cuando se desean exactitudes mejores que 1 ó 2
  µm, suelen sustituirse las clásicas reglas
  divididas por este tipo de reglas codificadas
• Su salida codificada se presta muy bien a la
  automatización del proceso (control numérico).
• Gran fiabilidad y bajo precio de los componentes
  electrónicos.

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Patrones de diámetro
Los patrones de diámetro interior son patrones
materializados, de acero endurecido y
estabilizado, constituidos por un hueco
cilíndrico perfectamente rectificado y acabado,
lo más perfecto posible desde el punto de vista
geométrico.
Los patrones de diámetro exterior son elementos
de control de diámetros interiores, siendo de
alguna forma un elemento derivado de las varillas
cilíndricas, aunque de diámetro mucho mayor. Se
fabrican en metal duro tratado y estabilizado, o
en carburo de tungsteno. En el caso de las
esferas patrón, suelen estar construidas en
materiales cerámicos.
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Patrones de diámetro interior y exterior
Calibración

• Mediante comparadores especiales.
• Máquinas de medición universales (1, 2 o 3
  coordenadas).
• Los eventuales defectos de forma se miden en una
  máquina medidora de defectos de forma.

Utilización

• Estos patrones se destinan a misiones de control.
  
• Se utilizan para la calibración de diferentes
  tipos de instrumentos, empleados en la medición y
  control de diámetros interiores y exteriores (de
  dos o tres contactos, micrómetros, etc.)
• Reglajes de máquinas de medición en serie.

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Instrumentación en medida de PMLs.
Calibres pie de rey
El principio general de un calibre esta basado en
una regla con un nonio unido a un cursor que se
desliza por la regla con el que conseguimos
amplificarla lectura de la regla.
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Instrumentación en medida de PMLs.
Calibres pie de rey

• Mordazas para medidas externas.
• Mordazas para medidas internas.
• Sonda para medida de profundidades.
• Escala con divisiones en centímetros y
  milímetros.
• Escala con divisiones en pulgadas y fracciones de
  pulgada.
• Nonio para la lectura de las fracciones de
  milímetros en que esté dividido.
• Nonio para la lectura de las fracciones de
  pulgada en que esté dividido.
• Botón de deslizamiento y freno.

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Instrumentación en medida de PMLs.
Calibres pie de rey
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Instrumentación en medida de PMLs.
Calibres pie de rey Error de Abbe
e
a
L
Error de seno
Error de Abbe (e) L tan a
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Instrumentación en medida de PMLs.
Calibres pie de rey
Existen calibres con indicación digital que
facilitan la lectura y son más fáciles de usar.
Las resoluciones de los calibres suelen ser de
0,1 mm y 0,05 mm, con campos de medida que pueden
llegar hasta los 1000 mm. Los más comunes tienen
una resolución de 0,02 mm y campo de medida
máximo de 500 mm.
Calibración
La trazabilidad de este tipo de instrumentos se
consigue utilizando como patrones bloques patrón
calibrados por comparación mecánica.
Utilización
Este tipo de instrumentos se suelen utilizar para
realizar mediciones de cualquier elemento o
pieza, determinación de cotas, medidas elementos
cilíndricos (tanto exteriores como interiores)
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Instrumentación en medida de PMLs.
Micrómetros
Los micrómetros son instrumentos de medida que
funcionan con un mecanismo sencillo y fiable, y
son rápidos de manejar por estos motivos son
ampliamente utilizados en la industria en
general. El mecanismo que sirve de base para su
funcionamiento, es un tornillo de precisión. Es
uno de los instrumentos de medida más antiguos,
data de 1638.
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Instrumentación en medida de PMLs.
Micrómetros
Hoy día se encuentran en el mercado también
micrómetros con indicación digital. Los
micrómetros son fabricados con resoluciones de
0,001 mm 0,01 mm. Este tipo de instrumento
tiene limitado su recorrido a 25 mm (campo de
medida). Para poder medir longitudes mayores
tendremos que disponer de un juego adecuado de
ellos en los que varia las dimensiones del arco
que es la nos dará la posibilidad de medir
longitudes mayores.
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Instrumentación en medida de PMLs.
Micrómetros Error de coseno
M L cos? Error de coseno L (cos? 1)
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Instrumentación en medida de PMLs.
Micrómetros
Calibración
Para la calibración se utilizarán bloques patrón,
de calidad 0 1 ó 2, según sea la resolución del
micrómetro.
Utilización
Este tipo de instrumentos se suelen utilizar para
realizar mediciones de cualquier elemento o
pieza, determinación de cotas, medidas elementos
cilíndricos, y existen una gran variedad de
micrómetros especiales para cada tipo de medición
(tanto exteriores como interiores)
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