Básculas, instrumentos de pesaje, balanzas de pesaje... Según cuál sea el recurso, se emplea una terminología u otra. En este artículo usaré principalmente el término «instrumento de pesaje».
Los instrumentos de pesaje/las balanzas se utilizan ampliamente en la industria para realizar mediciones diversas. Algunos instrumentos de pesaje son pequeños instrumentos de laboratorio que miden unos gramos con una gran exactitud, mientras que otros son muy grandes y miden, por ejemplo, la masa transportada por los camiones. Todos vemos instrumentos de pesaje en nuestra vida cotidiana a nuestro alrededor, por ejemplo, cuando visitamos una tienda de alimentación y pesamos verduras.
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Como con cualquier instrumento de medición, los instrumentos de pesaje también se deben calibrar con regularidad para garantizar que midan de manera correcta y de la manera más exacta posible. Una buena calibración trazable metrológicamente es la única manera de saber con qué exactitud miden los instrumentos de pesaje.
Muchos instrumentos de pesaje se utilizan para realizar mediciones legales o transacciones económicas y forman parte de un programa de verificación legal o reglamentaria basado en la legislación. A menudo, la calibración de los instrumentos de pesaje se basa en un sistema de calidad (como ISO9000), un servicio sanitario, la seguridad del tráfico (aéreo, marítimo) o una investigación forense. Existen normativas especializadas para instrumentos de pesaje y su calibración (Guía de calibración EURAMET, Manual 44 del NIST, OIML); tendrás más información sobre estos más adelante en este mismo artículo.
En este artículo, lo principal es observar las consideraciones prácticas y las diversas pruebas que se deben realizar al calibrar los instrumentos de pesaje.
Contenido
Calibración de instrumentos de pesaje
1. Preparativos previos a la calibración
Calibración de instrumentos de pesaje
Empecemos con los aspectos a tener en cuenta antes de llevar a cabo la calibración y a continuación detallaremos los diversos ensayos que se deben realizar.
1. Preparativos previos a la calibración
Antes de iniciar la calibración del instrumento de pesaje hay que clarificar varias cosas y prepararse. Hay que averiguar las características técnicas del instrumento de pesaje (peso máximo, valor d), el requisito de exactitud (error e incertidumbre máximos permitidos) y qué hacer si los resultados de la calibración están fuera de los márgenes permitidos (el ajuste).
Normalmente se calibra todo el rango de medición, y la calibración se efectúa en la ubicación en la que se utiliza el instrumento. Hay que asegurarse de tener suficientes masas para el procedimiento de calibración disponible.
El instrumento de pesaje debe ponerse en marcha o activarse al menos 30 minutos antes de la calibración. La temperatura de las masas debe estabilizarse a la misma temperatura a la que vaya a realizarse la calibración.
El instrumento de pesaje debe estar nivelado horizontalmente, en especial si se trata de un instrumento pequeño y de gran exactitud.
En el caso que los resultados de la calibración del instrumento de pesaje fuesen desfavorables y por tanto por encima del margen permitido, deberán registrarse estos datos como resultados «encontrados» antes del ajuste, posteriormente se deberá proceder con el ajuste del instrumento y realizar una segunda calibración registrando estos datos como resultados «dejados» después del ajuste. A continuación, echa un vistazo a los diversos ensayos que se deben realizar durante la calibración.
2. Ensayo de excentricidad
En un uso normal de un instrumento de pesaje, la carga no siempre se coloca perfectamente en el centro del receptor de carga. A veces los resultados de un instrumento de pesaje pueden variar ligeramente, según donde se ubique la carga sobre el receptor de carga. Para probar cuánto es el efecto que tiene la ubicación de la carga, se lleva a cabo el ensayo de excentricidad. En el ensayo de excentricidad, la carga de referencia se coloca en varias ubicaciones específicas diferentes del receptor de carga. Primero, la carga se coloca en el centro del receptor de carga (el centro de gravedad de la carga) y se observa el resultado. A continuación, la carga se coloca en cuatro sectores distintos del receptor de carga, tal como se muestra en la imagen.
La imagen anterior es para receptores de carga rectangulares y redondos, pero por supuesto en la práctica hay muchas formas diferentes de receptores de carga, y la ubicación de la carga variará en cada caso. Las normas OIML R76 y EN 45501 te pueden orientar sobre las diferentes formas de los receptores de carga.
El procedimiento de calibración debe especificar dónde colocar la carga durante el ensayo, y los resultados de la calibración (en formato de certificado) deben documentar también las ubicaciones.
La carga de un ensayo de excentricidad debe ser al menos un tercio (1/3) de la carga máxima del instrumento de pesaje.
Es preferible realizar el ensayo con una carga compuesta por una única masa, si es posible. De ese modo es más fácil asegurarse de que el centro de gravedad de la carga esté en la ubicación indicada. Para un instrumento de pesaje con varios rangos, el ensayo de excentricidad debe realizarse con el rango más alto.
Dado que el ensayo de excentricidad consiste en encontrar la diferencia causada por la ubicación de la carga, no es necesario tener una masa de gran exactitud calibrada. Obviamente, es muy importante utilizar siempre la misma carga (masa/s) a lo largo de todo el ensayo.
Si el ensayo de excentricidad se emplea también para determinar los errores de la indicación, entonces debe utilizarse carga cuya masa esté calibrada.
Procedimiento para el ensayo de excentricidad
La indicación se pone a cero antes del ensayo. La carga del ensayo se sitúa en la ubicación 1 y se registra la indicación. A continuación, la carga del ensayo se va desplazando por las distintas ubicaciones de la 2 hasta la 5, y se registra la indicación de cada ubicación. Por último, la carga del ensayo se vuelve a colocar en la posición 1 para comprobar que la indicación no se ha desplazado con respecto a la indicación anterior obtenida de la ubicación 1.
El cero se puede comprobar entre cada ubicación para ver que no ha cambiado. En caso necesario, el instrumento se puede ajustar a cero entre unos ensayos y otros.
Como alternativa, también se puede tarar el instrumento cuando la carga se encuentra en la ubicación número 1, ya que esto facilita que se vean las diferencias entre las ubicaciones.
3. Ensayo de repetibilidad
Igual que el resto de instrumentos, los de pesaje también pueden sufrir problemas de repetibilidad. Esto significa que cuando se mide la misma carga varias veces, el resultado no es exactamente siempre el mismo. Para averiguar la repetibilidad del instrumento, se efectúa un ensayo de repetibilidad.
El ensayo de repetibilidad se lleva a cabo sustituyendo la misma carga en el mismo lugar en el receptor de carga varias veces (para evitar errores de excentricidad). El ensayo se debe hacer en condiciones idénticas y constantes, y gestionándolo de manera idéntica.
La carga utilizada debe estar cerca al valor de la máxima capacidad de carga del instrumento. A menudo se realiza un ensayo de repetibilidad con una carga, pero también se puede hacer con varios valores de carga separadamente.
La carga no tiene por qué ser necesariamente una masa calibrada, ya que el objetivo es averiguar la repetibilidad. Si es posible, la carga utilizada debe estar compuesta por una masa únicamente (no varias pequeñas).
Normalmente, un ensayo de repetibilidad se realiza repitiendo la medición al menos 5 veces seguidas. Para los instrumentos de rango alto (más de 100 kg/220 lb), se deberá hacer al menos 3 veces.
En el ensayo de repetibilidad, primero se pone el instrumento a cero y luego se sitúa la masa en el receptor de carga y se registra la indicación cuando se ha estabilizado. Entonces se saca la masa, se comprueba la indicación de cero y, si es necesario, se pone a cero. Entonces, vuelve a colocarse la masa, y así sucesivamente.
Para un instrumento con múltiples rangos, suele ser suficiente una carga cercana pero inferior al máximo del primer rango.
4. Ensayo de pesaje
El objetivo del ensayo de pesaje es comprobar (calibrar) la exactitud del instrumento de pesaje en todo su rango en varios pasos o saltos, de manera creciente y decreciente.
La práctica más habitual es esta: empezar ajustando a cero el instrumento sin ninguna carga. Establecer la carga de masas del primer punto del ensayo, esperar la estabilización y registrar la indicación. Seguir aumentando la carga de masas a través de todos los puntos de ensayo crecientes. Cuando se ha registrado la carga máxima, empezar a disminuir la carga de masas mediante los puntos de ensayo decrecientes.
En algunos casos, el instrumento de pesaje se puede calibrar solo con cargas crecientes o solo con cargas decrecientes.
Normalmente se usan de 5 a 10 cargas distintas (puntos de ensayo). La carga más alta debe estar cerca de la máxima carga admisible por el instrumento. La carga mínima del ensayo puede ser el 10 % de la carga máxima, o el valor mínimo pesado normalmente. Por lo general, los puntos de ensayo se seleccionan de modo que estén distribuidos uniformemente a lo largo de todo el rango.
Se pueden usar más puntos de ensayo para el rango típico de uso del instrumento.
Con instrumentos de múltiples rangos, cada rango se debe calibrar por separado.
Linealidad
En un ensayo de pesaje, realizar varios puntos a través del rango de medición del instrumento ayuda a revelar problemas de linealidad. Los problemas de linealidad indican que el instrumento no mide con la misma exactitud a lo largo de todo el rango. Incluso aunque el cero y el span sean correctos, pueden existir errores en la mitad del rango, lo que se denomina errores de linealidad, o no linealidad (o falta de linealidad).
La imagen inferior es una ilustración general de no linealidad. Incluso se puede observar que el cero y el span están ajustados correctamente, pero hay un error en la zona media del rango debido a la no linealidad del instrumento:
Histéresis
La histéresis es la diferencia en la indicación cuando uno se acerca a un punto de ensayo con carga creciente o decreciente. Para detectar problemas de histéresis en el instrumento es necesario calibrar con puntos ascendentes y descendentes.
En un ensayo de pesaje, cuando se aumenta o se disminuye la carga es importante no pasarse ni quedarse corto. Esto significa que cuando se aumenta la carga hay que acercarse a cada punto del ensayo con un peso creciente. No hay que añadir demasiada masa y luego quitarla, porque entonces se desvirtúa la información referida a la histéresis.
De manera similar, con los puntos decrecientes, hay que asegurarse de acercarse a cada punto con una carga decreciente. Obviamente, para poder hacerlo se debe planificar bien con antelación el uso de las cargas del ensayo. La imagen inferior es una ilustración general de histéresis. Cuando se calibra el instrumento, los resultados son distintos con puntos de calibración crecientes y decrecientes.
5. Ensayo de pesada mínima
El ensayo de pesada mínima es una prueba no siempre necesaria. De algún modo, este ensayo es obligatorio en algunas industrias, como la farmacéutica.
El objetivo del ensayo de pesada mínima es encontrar la carga mínima que el instrumento es capaz de medir y, a la vez, conseguir resultados fiables de las mediciones y cubrir los requisitos de exactitud. Cuando el valor medido disminuye, el error relativo de la lectura suele ser mayor. El instrumento de pesaje no se debe utilizar para medir cargas inferiores a la mínima.
Para el ensayo de pesada mínima, las dos normas o reglamentaciones principales tienen un enfoque distinto. Echémosles un vistazo rápido:
La farmacopea de EE. UU. (capítulo 41): – tras los recientes cambios de la norma, ya no se refiere a un ensayo de pesada mínima. Este se ha sustituido por los requisitos para determinar el mínimo rango operativo del instrumento encontrando el punto en el que la repetibilidad del instrumento (el doble de la desviación estándar) sea una lectura de 0,10 %.
En la práctica, en algunos casos la desviación estándar puede ser muy pequeña, pero el peso mínimo que se debe medir no debe ser menor a 820 veces el rango de la escala actual (d).
Guía de calibración EURAMET 18 (apéndice G): – tiene el principio que calcula la incertidumbre de la medición para cada punto de calibración y que la mínima carga utilizable es el punto en el que la incertidumbre es todavía suficientemente pequeña para los requisitos del instrumento.
Además de los requisitos estándar anteriores, los requisitos de la industria farmacéutica exigen un ensayo de pesada mínima aparte de que una pequeña carga de ensayo se mida varias veces para encontrar la exactitud del instrumento con una carga pequeña.
6. Otros ensayos
También hay otros ensayos indicados en las normas, aunque normalmente no se realizan durante una calibración estándar, pero se pueden efectuar como un tipo de ensayo de aprobación o en la verificación inicial. Estos son algunos ejemplos de estos ensayos:
- Ensayo de tara
- Ensayo de discriminación
- Variación de la indicación a lo largo del tiempo
- Ensayo de interacción magnética
Masas
Para la calibración se recomienda usar juegos de masas de referencia clasificados. Por ejemplo, la recomendación de la OIML (Organisation Internationale de Métrologie Légale) R111 incluye consejos para la clasificación de las masas (E1, E2, F1, F2, M1, M1-2, M2, M2-3 y M3).
Gestión de las masas
Obviamente, las masas deben gestionarse de modo que no cambien sus características metrológicas. Las masas no se deben colocar sobre superficies que provoquen arañazos o que estén sucias. Al limpiar las masas hay que procurar especialmente que queden bien limpias, es decir, sin restos de suciedad.
Las masas más pequeñas deben manipularse con guantes, no emplear las manos sin protección, para evitar que la grasa de los dedos se adhiera a las masas y para evitar no calentar las masas a una temperatura superior a la ambiental.
Cuando no se utilizan, las masas deben guardarse en sus propias cajas de almacenamiento. Las masas deben guardarse de modo que solo puedan acceder a ellas el personal autorizado. Las masas muy grandes se deben cubrir y guardar en condiciones estables. Debe evitarse la condensación de humedad en las masas.
Masa nominal/masa convencional
Al hablar de masas, se utilizan los términos «masa nominal» y «masa convencional».
- La masa nominal es la masa nominal del peso determinado, y cuando la masa es de gran exactitud y se utiliza en la verificación legal, basta emplear la masa nominal como valor real.
- La masa convencional es la masa exacta calibrada real del peso que se ha corregido con correcciones locales obligatorias. Para realizar calibraciones trazables debe usarse siempre la masa convencional.
Calibración de las masas
Las masas se deben calibrar de manera trazable y periódica a través de un laboratorio de calibración acreditado o un laboratorio de calibración nacional. Normalmente el periodo de calibración para las masas está comprendido entre 1 y 5 años.
Es posible calibrar por uno mismo las masas si se cuenta con un instrumento de pesaje adecuado y masas de referencia para hacerlo.
Para obtener más información sobre la trazabilidad, consulta la publicación del blog La trazabilidad metrológica en calibración, ¿son trazables sus calibraciones?
Gravedad local
La gravedad local es ligeramente distinta en diferentes partes del mundo. Esto es debido a muchas cosas, como la altitud (menor gravedad en altitudes mayores), la latitud (menor gravedad más cerca del ecuador), la geología local y algunos otros factores.
Aunque la gravedad no afecta a la masa del peso, sí que afecta a la fuerza de la masa sobre el instrumento de pesaje (Fuerza = masa x gravedad). Y dado que un instrumento de pesaje mide la fuerza, la gravedad tiene un efecto sobre la lectura del instrumento. Si se mueve el instrumento de pesaje hacia una ubicación nueva, tal vez se necesite ajustarlo, según la exactitud que tenga el instrumento y cuánto se desplace.
A menudo, las masas de referencia se calibran en una ubicación distinta a donde se van a utilizar, que puede ser una ciudad distinta y, en algunos casos, pueden estar lejos entre sí. Por lo tanto, se debe tener en cuenta la diferencia de gravedad al utilizar la masa de referencia para calibrar y/o ajustar los instrumentos de pesaje.
Efecto del empuje del aire
Cuando se utilizan masas, el empuje del aire origina una pequeña fuerza que reduce la fuerza de la masa. Así, podemos pensar que el empuje del aire de alguna manera eleva las masas muy ligeramente.
El efecto del empuje del aire depende de las condiciones ambientales y las diferencias de la densidad de las masas en comparación con la densidad del aire. Dado que el efecto del empuje del aire es relativamente reducido y no cambia tanto de un día a otro, no siempre se tiene en cuenta.
Efecto de convección
Si la temperatura de la masa difiere de la temperatura ambiental, habrá una convección de aire alrededor de la masa. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor es la convección. Esta convección tendrá un efecto reducido sobre la indicación del instrumento de pesaje.
Por ejemplo, si la masa está más fría que su entorno, la convección del aire alrededor de la masa descenderá delante del instrumento de pesaje y añadirá una pequeña carga adicional al instrumento de pesaje. El efecto de la convección tiene más relevancia con los instrumentos de pesaje de gran exactitud, aunque sigue siendo relativamente reducido.
Carga de sustitución
Las cargas de sustitución se pueden utilizar si no hay masas suficientes para la calibración. Por ejemplo, si se tiene una masa de 100 kg y dos masas de 200 kg (un total de 500 kg) y se necesita calibrar un instrumento de pesaje de 1000 kg, ¿qué hay que hacer? Calibrar los primeros puntos hasta los
500 kg utilizando las masas que se tengan y leer la indicación exacta del instrumento de pesaje cuando la carga de 500 kg esté encima. A continuación, quitar las masas y poner alguna carga de sustitución sobre el instrumento de pesaje hasta que la indicación sea exactamente la misma que con las masas de 500 kg. De esta forma se sabe que la carga de sustitución tiene el mismo peso que las masas de referencia de gran exactitud. A continuación se puede seguir añadiendo masas y mantener la carga de sustitución encima hasta alcanzar los 1000 kg.
Certificado de calibración
Como con cualquier calibración, una parte esencial de la calibración consiste en documentar los resultados en el certificado de calibración.
Por supuesto, el certificado incluye los resultados de las mediciones de la calibración, es decir, la masa de la carga situada sobre el instrumento y la indicación del instrumento. Esto incluye todas las mediciones y los ensayos que se hayan realizado durante la calibración, tal como se mencionó anteriormente.
El certificado debe incluir también la incertidumbre total de la calibración. Un valor de medición sin relacionar este con la incertidumbre total no dice mucho sobre la medición. El certificado debe incluir también una descripción clara del instrumento que se calibra y las masas que se utilizan como referencia. También debe incluirse el procedimiento de calibración que se haya seguido y las condiciones en las que se ha llevado a cabo la calibración.
En resumen, el certificado debe incluir:
- Los resultados de las mediciones
- Un número único de certificado que lo identifique
- El nombre, la dirección y la identificación del cliente
- El nombre, la empresa y la firma de la persona que hizo la calibración
- La información detallada del instrumento que se haya calibrado
- La identificación de las masas de referencia que se utilicen
- La identificación del procedimiento de calibración que se utilice
- La fecha de la calibración
- Las condiciones ambientales
- La incertidumbre de las mediciones y su factor de cobertura
- Mención de si solo se ha realizado una calibración parcial
- Una representación gráfica de los resultados de la calibración, si es posible (componente visual útil)
Si se trata de una calibración acreditada, la normativa estipulará el contenido del certificado.
Incertidumbre
Como en cualquier calibración, también en la de instrumentos de pesaje, debe conocerse la incertidumbre de la calibración. El objetivo de este artículo no es adentrarse en detalles sobre cómo calcular la incertidumbre, sino hablar a un nivel más general.
No basta con conocer el error de la indicación de la escala en cada calibración. También se debe conocer la incertidumbre (hasta qué punto puede estar seguro) del error detectado en cada punto de la calibración. Existen varias fuentes de incertidumbre del error en la calibración de instrumentos de pesaje, por ejemplo, estas:
- Los pesos de las masas solo se conocen con una incertidumbre específica.
- La convección del aire ejerce una fuerza extra sobre el receptor de cargas.
- El empuje del aire alrededor de la carga varía según la presión barométrica, la temperatura del aire y la humedad.
- Al calibrar la balanza se utiliza una carga de sustitución.
- Las indicaciones de las balanzas digitales se redondean a la resolución que se utiliza.
- Las balanzas analógicas tienen una legibilidad limitada.
- Hay variaciones aleatorias en las indicaciones que se pueden ver en el ensayo de repetibilidad.
- Las masas no están justo en el centro del receptor de carga.
Al utilizar de manera normal los instrumentos de pesaje, hay varias cosas que difieren de la calibración, y esto también añadirá algo más de incertidumbre al uso del instrumento. Entre estas diferencias se incluye, por ejemplo:
- Las mediciones de peso rutinarias implican cargas aleatorias, mientras que la calibración se realiza en determinados puntos de calibración.
- Las mediciones de peso rutinarias no se repiten, mientras que las indicaciones recibidas mediante las calibraciones pueden ser promedios de mediciones de pesadas repetidas.
- A menudo, en la calibración, se emplea una resolución mayor.
- Los ciclos de carga/descarga de la calibración y el pesaje rutinario pueden ser distintos.
- En el pesaje rutinario se puede colocar excéntricamente una carga.
- En el pesaje rutinario se puede usar un instrumento con equilibrado de taras.
- La temperatura, la presión barométrica y la humedad relativa del aire pueden variar.
- El ajuste del instrumento de pesaje puede haber cambiado.
Las incertidumbres estándar y expandida de los resultados de pesaje se calculan mediante datos técnicos del instrumento de pesaje, sus resultados de calibración, el conocimiento de su comportamiento típico y los conocimientos de las condiciones de la ubicación en la que se utiliza el instrumento. Calcular la incertidumbre de los resultados de pesaje ayuda a decidir si la exactitud del instrumento de pesaje es suficiente o no y la frecuencia con la que debe calibrarse.
Algunas referencias recomendadas para el cálculo de incertidumbre son: la Guía de calibración EURAMET 18 y la EA 4/02.
Clases de instrumentos, clases de tolerancias, error máximo permitido
La norma EN45501:2015 clasifica los instrumentos de pesaje en las cuatro categorías siguientes (el instrumento va marcado con el símbolo que se muestra entre paréntesis).
- Exactitud especial (I)
- Exactitud fina (II)
- Exactitud media (III)
- Exactitud ordinaria (IIII)
El escalón de verificación, el número de escalones de verificación y el alcance mínimo en relación con la clase de exactitud de los instrumentos según EN45501:2015:
Error máximo permitido según EN45501:2015:
Clases de tolerancia según el manual 44 del NIST (edición de 2017):
*) Añadir 1 para cada 500 d adicionales o cada fracción de estos.
Productos Beamex relacionados
Entre muchas otras características, el software de gestión de calibración Beamex CMX cuenta con una función específica para la calibración de instrumentos de pesaje. Ya hace más de diez años que existe. CMX admite varios ensayos, como por ejemplo: ensayo de excentricidad, ensayo de repetibilidad, ensayo de pesaje y ensayo de pesada mínima. Se admiten tanto las clases de exactitud de la OIML como las del manual del NIST (incluidas las actualizaciones de USP 41 más recientes). Esta funcionalidad puede utilizarse con un ordenador o con un dispositivo móvil.
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Referencias relacionadas
Entre las referencias más importantes sobre este tema se incluye, de manera no exclusiva, las siguientes:
- Guía de calibración n.º 18 de EURAMET, Versión 4.0 (11/2015)
- EN 45501:2015: Aspectos metrológicos de los instrumentos de pesaje no automáticos
- Manual 44 del NIST (edición de 2017): Especificaciones, tolerancias y otros requisitos técnicos para dispositivos de pesaje y medición
- EA-4/02 (2013): Evaluación de la Incertidumbre de la
- Medición en la Calibración
- JCGM 100:2008: Evaluación de los datos de medición: Guía para la expresión de la incertidumbre en la medición
- JCGM 200:2008: Vocabulario internacional de metrología: conceptos básicos y generales, y términos asociados
- OIML R76-1: Instrumentos de pesaje no automáticos, parte 1: requisitos metrológicos y técnicos, ensayos
- OIML R 111 - OIML R111: Masas de clases E1, E2, F1, F2, M1, M1-2, M2, M2-3 y M3
- DIRECTIVA 2009/23/EC (2009): Instrumentos de pesaje no automáticos
Publicación original: Weighing scale calibration - How to calibrate weighing instruments
Publicado en: Mayo 2018
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