Laboratorio de Realización y Diseminación de Masa

Unidad y realización

El kilogramo, símbolo kg, es la unidad de masa en el Sistema Internacional de Unidades. En la actualidad, el valor de la unidad kg se define al fijar el valor numérico de la constante de Planck, h, en 6,62607015 x 10^-34 cuando se expresa en J·s, igual a kg·m²·s^-1, donde el metro y el segundo se definen en función de c y ∆νCs

Al definir el valor exacto de la constante de Planck,  h =  6,62607015 × 10^-34 kg·m²·s^-1 se obtiene la expresión del kilogramo en función del valor de la constante de Planck h obtenido experimentalmente en unidades de kg·m2·s-1:

De aquí, junto con las definiciones del segundo y el metro, se obtiene la definición de la unidad de masa en función de las tres constantes fundamentales h, ∆νCs y c:

Como resultado de esta expresion se define la unidad de masa en funcion de la constante de plank, h y en combinación con las definiciones del segundo y del metro.

La definición del kilogramo anterior al 20 de mayo de 2019 establecía que el valor de masa de prototipo internacional del kilogramo, m(K), es igual a un kilogramo exactamente y el valor de la constante de Planck se determinaba experimentalmente a, utilizando el valor exacto del prototipo internacional de kilo. Con la nueva definición del kilogramo establecida el 20 de Mayo de 2019,  se asigna un valor exacto numérico a la constante de Plank , h y el valor de la masa del prototipo se determina experimentalmente.

El valor numérico asignado a la constante de Planck se ha estableció considerando que el kilogramo era igual a la masa de prototipo internacional, m(K)=1 "kg" . A este valor de masa se le asignó  la incertidumbre típica relativa de 1×10^-8 , que correspondía a la incertidumbre de la mejor mejor determinación de la constante de Planck en ese momento.

Nótese que con la actual definición, las realizaciones primarias de masa se pueden establecer para cualquier valor de masa, no estando limitada a la masa de 1 kg.

El Patrón Nacional de Masa

El Patrón Nacional de Masa en España se establece en el Real Decreto 648/1994 , de 15 de abril (posteriormente modificado por la Orden ICT/149/2020) por el que se declaran los patrones nacionales de medida de las unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades.

El Patrón Nacional correspondiente a la magnitud masa, cuya unidad es el kilogramo (kg), es mantenido, conservado, custodiado y diseminado por el Centro Español de Metrología; es la copia número 24 del Prototipo Internacional del Kilogramo depositado en el BIPM.

Fue construido en 1889 en aleación de platino-iridio, con un 10 % de iridio. Lleva grabado sobre su superficie, a los dos tercios de altura, el número 24. La determinación de su valor de masa, su conservación y mantenimiento se realiza de acuerdo a las premisas establecidas por el Comité Consultivo de Masa y Magnitudes Derivadas, de acuerdo a la definición del kilogramo basada en el valor numérico de la constante de Planck.

El mantenimiento del Patrón Nacional de Masa se garantiza a través de los procedimientos de medida y comparaciones establecidos en el Sistema de Gestión de la Calidad del CEM y en combinación con la participación del CEM en Comparaciones Internacionales entre Institutos Nacionales de Metrología.

Principales actividades y objetivos

En el Laboratorio de Masa se realizan las tareas que se detallan a continuación:

• Mantenimiento, custodia y conservación del Patrón Nacional de Masa.

• Transferencia del Patrón Nacional de Masa a los patrones primarios de acero inoxidable.

• Diseminación de la unidad de masa mediante la calibración de patrones de masa desde 1 mg hasta 1000 kg.

• Realización de calibraciones al más alto nivel metrológico en el rango desde 1 mg hasta 1000 kg, dando trazabilidad a Institutos Nacionales de Metrología, y a laboratorios acreditados.

Todas estas actividades se realizan  con un amplio conjunto de comparadores de masa y balanzas de diferentes alcances nominales, abarcando desde 1 mg hasta 1000 kg, con diferentes resoluciones, utilizándose en función de la clase de exactitud de la masa o pesa a calibrar.

Las salas del Laboratorio de Masa poseen condiciones ambientales controladas:

• Estabilidad en temperatura: ± 0,5 ºC

• Estabilidad en humedad: ± 5 %

Trazabilidad

En el Laboratorio de Masa se lleva a cabo la transferencia y la diseminación como primeros eslabones de la cadena piramidal de la trazabilidad de la unidad de masa. En primer lugar, se realiza la transferencia del platino-iridio al acero inoxidable periódicamente, que consiste en la comparación del prototipo nacional de platino-iridio con pesas de 1 kg de acero inoxidable, que constituyen los patrones de referencia  de 1 kg del laboratorio de calibración; en segundo lugar a partir de dichos patrones de 1 kg se realiza la diseminación de la unidad de masa a los múltiplos y submúltiplos, mediante un sistema matricial de comparaciones que se resuelve a través del método de los mínimos cuadrados, en dos bloques fundamentales: los múltiplos del kilogramo, de 1 kg a 1000 kg; y los submúltiplos del kilogramo, de 1 kg a 1 mg, constituyendo éstos los patrones de referencia frente a los que se calibran  los patrones de trabajo.

Proyectos e investigaciones

Dentro de las líneas de investigación que se llevan a cabo en el laboratorio primario están, por un lado, el estudio del cambio de masa que experimentan las pesas, tanto de platino-iridio como de acero inoxidable, cuando son transferidas del aire a unas condiciones de vacío, y estimación de la repetibilidad de dicho cambio, y por otro lado la determinación experimental de la densidad del aire a través de artefactos de igual masa pero diferente volumen. Para ello se utiliza un comparador de masa de hasta 1 kg y con una resolución de 0,1 mg, que permite comparar masa en medio aire, vacío o gas inerte.

Desarrollo de un método para realizar el kilogramo a través de unidades eléctricas y dimensionales. El dispositivo está basado en un condensador electrostático de placas planas utilizado para contrarrestar la fuerza de peso. La geometría del campo eléctrico es caracterizado mediante el cambio de la distancia entre las placas manteniendo una fuerza constante y midiendo la capacidad. Este enfoque lleva a la realización de un dispositivo simple y compacto para la medición absoluta de pequeñas masas. En este proyecto se propone la realización de una balanza de tensión basada en un condensador de placas paralelas, donde el equilibrio de la balanza se mantiene fijo mientras que la distancia entre las placas cambia en una cantidad controlada, con el fin de determinar los parámetros del actuador. La ecuación que gobierna el funcionamiento del dispositivo es la siguiente:

siendo m la masa, g la aceleración de la gravedad local, ρa la densidad del aire, ρm la densidad de la masa, C la capacidad del condensador, z la distancia entre placas y V la tensión.

Otra línea de investigación es  el desarrollo de patrones de masa menores que el miligramo, que juegan un papel fundamental en la  verificación de la exactitud de comparadores y balanzas con sensibilidades menores que el miligramo.
 

Servicios

• Calibraciones de :

  • Pesas y juegos de pesas de clase de exactitud OIML (R111) E₁, E₂, F₁, F₂, M₁, M_1-2, M₂, M_2‑3, M₃ desde 1 mg hasta 1000 kg.

    Nota: Estas calibraciones, en su caso, se llevan a cabo acorde a las capacidades de medida y calibración publicadas en la base de datos del BIPM. (http://kcdb.bipm.org)..

  • Balanzas de diversos alcances nominales.

• Asesoramiento en:

  • procedimientos de calibración de masas e instrumentos de pesaje,

  • evaluación de incertidumbres de medida en la magnitud masa,

  • implantación de sistemas de gestión de la calidad en la magnitud masa

• Formación de expertos y cursos específicos hechos a medida