Metrología

Pubicado en Serendipia Núm. 23. Septiembre 2011

M-one, balanza comparadora de masa al vacío  

M. en C. Luis Manuel Peña Pérez

Jefe de la División de Masa y Densidad

Centro Nacional de Metrología

 

M. en C. Luis Omar Becerra Santiago

Coordinador Científico de la División de Masa y Densidad

Centro Nacional de Metrología

Balanza M-One. Fotografía: Jorge Alcántara 2015

La mayoría de las personas están familiarizadas con mediciones de masa, conocidas en el lenguaje coloquial como pesar, pero ¿qué significado tiene el resultado de una medición de masa con un instrumento para pesar?, ¿qué representan las cifras digitales de una báscula de supermercado con la cual son pesados, por ejemplo, tres kilogramos de carne?, ¿qué indica el valor de masa del componente activo de un medicamento, por decir, 500 mg de Paracetamol? Dichas cantidades representan valores de masa que son múltiplos y submúltiplos del kilogramo, una de las siete unidades base del Sistema Internacional (SI).

 

Las mediciones de masa realizadas en nuestro país con instrumentos para pesar, conocidos en lo cotidiano como balanzas o básculas, requieren de diferentes niveles de exactitud según su aplicación; dicho en otras palabras, las tolerancias de las básculas en transacciones comerciales de víveres a nivel consumidor no son tan estrictas como las de una industria dedicada a la elaboración de fármacos, dado el impacto en la salud que éstas representan.

 

Garantizar el funcionamiento óptimo de los instrumentos para pesar requiere de su calibración y/o verificación con patrones de masa (pesas) de cierta clase de exactitud; los cuales, a su vez, han de ser calibrados con otras pesas de mayor exactitud y así en lo sucesivo hasta llegar a los patrones de masa de acero inoxidable de un kilogramo, albergados en el Centro Nacional de Metrología (CENAM).

 

Dichos patrones son comparados directamente con el Patrón Nacional de Masa que, identificado como el Prototipo Núm. 21, está materializado en un cilindro de diámetro y altura cercanos a 39 mm, y fabricado en una aleación de 90% Platino y 10% Iridio. Su valor está definido por comparación con el Kilogramo Internacional, bajo custodia de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM, por sus siglas en francés) –ubicada en Sèvres, Francia–, que constituye la actual definición de la unidad de masa del SI.

 

Además del Patrón Nacional de Masa, el CENAM cuenta con otro prototipo de Platino-Iridio identificado como Núm. 90 y en este año recibirá un tercero, el Núm. 96, con los cuales será asegurada y mantenida la referencia nacional de masa en el país.

 

Para garantizar el valor de masa en los usuarios finales, con un nivel de confianza apropiado, es necesario que el valor de masa del Patrón Nacional sea transferido a los patrones de acero inoxidable con la mayor exactitud posible. Tarea que requiere de un instrumento apropiado (balanza comparadora de masa) para realizar mediciones de masa de la más alta exactitud a nivel de un kilogramo.

 

En agosto pasado, el CENAM adquirió una nueva balanza comparadora de masa al vacío (M-one) con un alcance de un kilogramo y una resolución de 100 ng (0,000 1 mg), es decir, una resolución relativa de 1x10-10.

 

Para dar una idea de la sensibilidad de este equipo, habrá de considerarse que una mosca común (musca domestica) tiene en promedio una masa de 10 mg; al suponer que pudiera seccionarse dicha mosca promedio en cien mil partes iguales, esta balanza podría discriminar variaciones de masa de cada corte, sería capaz incluso de detectar partículas de polvo de unos cuantos micrómetros de diámetro.

Aspecto del interior de la balanza M-One. Fotografía: Jorge Alcántara 2015. Centro Nacional de Metrología.

Debido a la sensibilidad de este equipo, factores como corrientes de aire, cambios de presión, variaciones en la temperatura y en la humedad, vibraciones, electricidad estática, campos magnéticos y cantidad de polvo en el ambiente, entre otros, pueden llegar a afectar de manera significativa las mediciones de masa a estos niveles de exactitud; por esta razón, la balanza está instalada en un laboratorio con infraestructura especializada afín a un cuarto limpio clase 10 000, con acabados sanitarios, piso antiestático, paredes con paneles de aluminio, un control de temperatura del aire de 20 C con una variación no mayor a ± 0,1 C y un control de humedad relativa de 50 % con una variación menor a ± 5 %.

 

La balanza está instalada sobre una mesa de mármol pulido soportada por una estructura de aluminio, la cual descansa sobre una sección del piso del laboratorio con cimentación especial y aislada de todo el edificio para minimizar las vibraciones mecánicas al máximo.

 

Otra característica importante de M-one es que está instalada dentro de una cámara que sella herméticamente y con la cual pueden ser realizadas mediciones de masa al vacío, al quedar eliminados factores de influencia como el efecto de flotación, al cual son sometidas las pesas cuando son realizadas mediciones de masa inmersas en un fluido (el aire).

 

Como consecuencia, en las mediciones de masa inmersas en un fluido es ejercida una fuerza de empuje sobre las pesas contraria a la fuerza de aceleración debido a la gravedad, que es igual al peso del volumen de aire desplazado, de acuerdo con el Principio de Arquímedes. Al realizar, entonces, mediciones de masa al vacío, este efecto es considerado despreciable y, por lo tanto, permite obtener mejores resultados en la calibración de pesas.

 

La adquisición, por parte del CENAM, de la balanza comparadora de masa al vacío llega en un momento crucial y trascendental para el SI, ya que en la actualidad está en discusión la posible redefinición de varias de sus unidades base, entre ellas, la de masa: el kilogramo.

 

La posibilidad de redefinir el kilogramo está basada, en principio, en dos experimentos: la balanza de Watt y el proyecto del número de Avogadro. Para ambos experimentos, las mediciones de masa al vacío son esenciales debido a que, hasta este momento, es escaso el conocimiento sobre los efectos presentados al someter al vacío ciertos materiales como, por ejemplo, el Platino-Iridio, el acero inoxidable y el Silicio. Los dos primeros, materiales con los que son fabricados los patrones de masa de más alta exactitud y el último, con el cual son fabricados los patrones primarios de densidad requeridos para el proyecto del número de Avogadro.

 

El CENAM, con este nuevo equipo, tiene la posibilidad de realizar mediciones de masa al vacío y aportar datos significativos a la comunidad científica, involucrada en la redefinición del kilogramo.

 

En el mundo, hay instaladas alrededor de 20 comparadoras de masa similares a ésta que, primera en América Latina, ha situado a México a la vanguardia en Metrología de masa de alta exactitud y al nivel de institutos de Metrología de países primermundistas.

El CENAM está preparado para soportar y respaldar las necesidades de la sociedad, de la industria y de la comunidad científica y académica mexicana en cuanto a la medición de masa, así como en el apoyo a otras magnitudes que dependen directamente de la misma, como densidad, volumen, presión, fuerza, par torsional, entre otras; siempre considerando que, con el desarrollo agigantado de la tecnología, las exigencias por tener mediciones de masa más exactas y confiables son cada vez mayores.

Ser miembro del CIPM es un trabajo: Dr. Ismael Castelazo Sinecio

Julieta Espinosa

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