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REDEFINICIÓN DEL KILOGRAMO
Y SU IMPACTO EN LA METROLOGÍA
DE MASA EN COLOMBIA
DÍA MUNDIAL DE LA METROLOGÍA
2018-05-31
#ColombiaseleMide
Contenido
El nuevo Sistema Internacional de Unidades - SI Experimentos para redefinir el kilogramo: La
balanza de Kibble y el Proyecto Coordinado de Avogadro o X-Ray Crystal Density (XRCD)
Impacto de la metrología de masa en Colombia
EL NUEVO SISTEMA
INTERNACIONAL DE UNIDADES
longitud Velocidad de la luz c
masa artefacto
tiempo
Transición
hiperfina 133Cs hfs
corriente eléctrica
Experimento ideal
temperatura
Parámetro de un material(punto triple del agua)
mol
Parámetro de un material
Intensidad
luminosa
Radiación monocromática
El actual SI
1799Sistema Métrico 1875
Convención del metro
1889Unidades basem, kg, s
1954A, K, cd
1967 s = Frecuencia hiperfina 133Cs
1971mol
1983m = c vacío
1960Cambio a SI
2018
El Nuevo SI
¡Constantesdefinidas!
Redefinición del kilogramo
1901 - 2018 2018 - ???
IPK Pt-IrFuente: www.bipm.org
Fuente: http://nist-takingmeasure.blogs.govdelivery.com/world-metrology-day-kilogram-in-the-balance/#prettyPhoto/2/
Fuente: Schwartz (2016)
Ideas de antaño hechas realidad…
Maxwell J.C, 1870. Report of the 1870 BA Meeting, Notices and Abstracts of Misc. Comm., Mathematics and Physics, pp. 1-9
Planck M., Ann.D.Phys. 4, 553-563 (1901)
Imperecederos – inalterable / En todo momento y
para todas las civilizaciones
Planck propone usar: c, h, G, kB
Recomendación 1 (CI-2005) – Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM)
Preparative steps towards new definitions of
the kilogram, the ampere, the kelvin and the mole in
terms of fundamental constants.
Avanzar hacia nuevas definiciones del kilogramo, el ampere, el kelvin y el mol en términos de constantes fundamentales.
Fuente: Richard & Ullrich (2017)
Un largo camino recorrido
Un largo camino recorrido
Fuente: Richard & Ullrich (2017)
Un largo camino recorrido
• R1 CONSISTENCIATres experimentos diferentes (KB & XRCD)Resultados consistentes con 𝑢𝑟𝑒𝑙 < 5 ∙ 10−8
• R2 INCERTIDUMBREAl menos un resultado con 𝑢𝑟𝑒𝑙 < 2 ∙ 10−8
• R3 TRAZABILIDADCalibración Extraordinaria con el IPK @ BIPM
• R4 VALIDACIÓNValidación del mise en pratique de acuerdo al CIPM-MRA
Un largo camino recorrido
R1 & R2 CONSISTENCIA E INCERTIDUMBRE
Resultados publicados para mediciones de h con 𝑢(ℎ) ≤ 5 ∙ 10−8ℎ
Tres experimentos independientes: NRC (KB), IAC (XRCD), NIST (KB)
Tres experimentos con 𝑢𝑟𝑒𝑙 < 2 ∙ 10−8: NRC, IAC, NIST
Un largo camino recorrido
R3 TRAZABILIDAD
Calibración extraordinaria de 2014
Michael Stock et al 2015 Metrologia 52 310
Un largo camino recorrido
R4 VALIDACIÓN
Estudio Piloto - 2016
M Stock et al 2018 Metrologia 55 T1
• Uniformidad
• Continuidad
Un largo camino recorrido
R4 VALIDACIÓN
Resultados de calibración depatrones viajeros calibrados envacío con trazabilidad directa a KB oXRCD
Resultados de calibración depatrones viajeros calibrados en airemediante métodos de diseminación
SE CUMPLEN LAS CONDICIONES ESTABLECIDAS POR EL COMITÉ CONSULTIVO DE MASA - CCM
Ventajas de la redefinición del SI
Sistema de unidades reproducible en todo el universo
Imagen tomada de la película “Insterstellar” de Christopher Nolan
Ventajas de la redefinición del SI
Relojes atómicos – chip( incertidumbre 10-11)
© Semana
© Telemundo
> 2€ Trillones/año (globalmente)
Ventajas de la redefinición del SI
Nanotecnología: Grafeno / Decodificación de ADN
Fuente: Wikipedia Fuente: Shutterstock / ESB Proffesional
Experimentos para redefinir
el kilogramo
La balanza de Kibble
NRC NIST
Fuente: Green (2018)
Fuente: Pratt (2018)
Fuente: Pratt (2018)
La balanza de Kibble
Para igual energía eléctrica y energía mecánica es necesario:
• Masa
• Velocidad
• Gravedad local
• Tensión eléctrica
• Resistencia
• Temperatura
• Presión
© NRC
La balanza de Kibble
Transferencia aire - vacío
NIST Magnetic SuspensionMass Comparator (MSMC)
Fuente: Patrick J. Abbot, Eric C. Benck, Edward Mulhern, Corey Stambaugh & Zeina J.Kubarych (2016) The NIST Mise en pratique for the Realization and Disseminationof the kilogram as part of the “New SI”, NCSLI Measure, 11:3-4, 45-50
La balanza de Kibble
Transferencia aire - vacío
Mass Transport Vehicle (MTV)
Fuente: Patrick J. Abbot, Eric C. Benck, Edward Mulhern, Corey Stambaugh & Zeina J.Kubarych (2016) The NIST Mise en pratique for the Realization and Disseminationof the kilogram as part of the “New SI”, NCSLI Measure, 11:3-4, 45-50
Método de Avogadro – Determinación de densidad de cristales por rayos X (XRCD Method)
Relación entre la masa atómica (o molecular) y el kilogramo
# de átomos de 28Si
Masa de un átomo individual de Si
Fuente: Schwartz (2016)
Masa de la esfera (incluyendo efectos superficiales)
Masa del electrón
Masa relativa isótopos de Si/Masa electrónica relativa
Número de átomos
Defectos de la redImpurezas
Masa capas superficiales
Etapas para la fabricación de esferas de Si
Producción de un monocristal de 28Si Cortado y pulido Determinación de la redondez y volumen Caracterización superficial Determinación de masa molar Manipulación y diseminación del kg
Fuente: Schwartz (2016); Fujii et.al. (2016); Löffler et.al. (2016)
IMPACTO EN COLOMBIA
¿Cómo se afecta la industria y los laboratorios acreditados?
El valor de la constante de Planck se elegirá de forma que garanticeel que no haya ningún cambio en el kilogramo SI en el momento dela redefinición.
Los usuarios podrán obtener trazabilidad al SI de las mismas fuentesutilizadas en la actualidad (BIPM, inm, laboratorios acreditados).
Las comparaciones internacionales garantizarán la coherencia de lanueva definición del kilogramo.
Las incertidumbres de calibración ofrecidas por los inm no se veránafectadas en su gran mayoría.
Para 1 kg (Recordar que 𝑼 𝐈𝐏𝐊 = 𝟎 )
Incertidumbre pesa clase E1
según OIML R 111-1:2004
𝑈 𝑘 = 2 = 0.167 mg
𝑢 𝑘 = 1 = 0.083 mg = 83 μg
Incertidumbre Pt-Ir No 108
𝑢 𝑘 = 1 = 0.004 mg = 4 μg
𝑑 = 0.000 1 mg = 0.1 μg
Los instrumentos de pesaje permiten garantizar los requisitos de
incertidumbre para pesas clase E1 y/o para aplicaciones
industriales
Cadena de trazabilidad actual
Patrones nacionales Pt-Iru = 4 µg
IPK u = 0 µg
Patrones nacionales AIu = 12 µg
Patrones de referencia usuarios AIu = 15 µg
reference constant fixed uncertainty uncertainty in the definition in the current SI in the New SI__________________ ______________ _______________
Planck constant, h 1.0 10‒8 (expt) 0 (exact)(in the new SI)
mass of the IPK, m(K ) 0 (exact) 1.0 ×10‒8 (expt)
(in the current SI)
Fuente: Stenger, 2014
El efecto más importante en la cadena de diseminación del kilogramo estaráasociado al hecho que la incertidumbre en masa para cualquiera de los dosexperimentos es mayor a cero, luego se tendrán cambios en la cadena depropagación de incertidumbre posterior a la redefinición.
Nivel en la cadena de diseminación
Incertidumbre estándar combinada (µg)
Caso 1 Caso 2
Mejor realización de la constante de Planck
20 50
Patrones de trabajo BIPM 30 71
Patrones nacionales INM 30 71
Patrones de trabajo INM 32 71
Patrones de referencia laboratorios clase E1
44 77
Fuente: Abbott and Kubarych (2013)Fuente: Abbott and Kubarych (2013)
Un caso especial: Las pesas “Clase E0”
Fuente: Kochiek & Gläser (2000)
Fuente: Abbott and Kubarych (2013)
Con 𝑢 = 0.020 mg no es posible la diseminación a una pesa “clase E0”
Ahora bien…
En Colombia se cuenta con laboratorios acreditados para calibraciónde pesas clase E2 según OIML R111-1:2004 (NTC 1848:2007)
Los laboratorios acreditados no van a ver afectada su cadena detrazabilidad.
Pero…
El INM cuenta con patrones “clase E0” para la calibración de pesasclase E1
Es necesario asegurar la validez de las mediciones para loslaboratorios acreditados que cuentan con patrones de trabajo claseE1
¿Qué acciones debe tomar el INM?
Implementación del método de subdivisión para calibración depesas clase E1.
Mejorar las condiciones ambientales del laboratorio de masa paraasegurar la validez de los resultados de calibración de pesas clase E1.
Publicación de las Capacidades de Medición y Calibración dellaboratorio de masa en la base de datos (KCDB) del BIPM.
Establecer convenios de cooperación con los INM que trabajan enexperimentos para realizar el kilogramo (XRCD o KB), para asegurarla continuidad de la trazabilidad de las mediciones al SI posterior asu redefinición.
Proyecto Si-trust
Tailandia
Sudáfrica
Rep. de China
España
México
Uruguay
Colombia
Proyecto Si-trust
Proyecto Si-trust
Determinar la estabilidad en masa de laesfera de Silicio SiSCkg_01_d en eltiempo, teniendo en cuenta losprocesos de manipulación y limpiezaestablecidos por el PTB.
OBJETIVO GENERAL
¡Ya estamos midiendo!
Proyecto “Diseminación del kilogramo en
el SIM posterior a su redefinición”
Fuente: Abbott (2018)
Proyecto “Diseminación del kilogramo en
el SIM posterior a su redefinición”
• NIST y NRC usan la balanza de Kibble para
realizar el kilogramo en vacío con trazabilidad a la
constante de Planck h
• Patrones de masa de 1 kg son calibrados en vacío
con las balanzas de Kibble de NIST y NRC
• Se realiza la transferencia vacío-aire para calibrar
patrones de masa en el aire
• Diseminación de los patrones calibrados en aire a
los patrones de 1 kg del proyecto SIM
• Se realizarán intercomparaciones regulares entre
NIST y NRC para garantizar la equivalencia entre
kilogramos del SIM
Fuente: Abbott & Green (2018)
• El NRC y NIST fabrican, caracterizan y calibran estas pesas (60 pesas en total)
• Se determinan la densidad y propiedades magnéticas de estas pesas. Todas las masa
cumplen con las características metrológicas de pesas clase E1.
• Se va a monitorear la estabilidad de cada pesa; se seleccionan las 32 pesas más estables
para repartir a miembros del SIM.
• Se entregará a cada inm del SIM una pesa de acero inoxidable de masa nominal 1 kg con
trazabilidad al kilogramo vía balanza de Kibble.
• Se entrega un certificado de calibración a cada inm con todos los parámetros arriba
mencionados; se sugerirán intervalos de calibración para estas pesas.
• Se realizará un workshop para los inm interesados en donde se mostrará en detalle todo
el proceso asociado a dichas pesas (Septiembre 2018 – Asamblea General del SIM)
Proyecto “Diseminación del kilogramo en
el SIM posterior a su redefinición”
Plan de trabajo
Fuente: Green (2018)
Proyecto “Diseminación del kilogramo en
el SIM posterior a su redefinición”
Fuente: Green (2018)
Nos estamos preparando…
FELIZ DÍA METRÓLOGOS
Gracias
INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGÍA – INM Av. Cra. 50 No. 26 – 55 Interior 2 CAN
Bogotá, ColombiaTeléfono (+57 1) 2542222 Ext 1615
E-mail: [email protected]
Jhon Escobar SotoLaboratorio de Masa