LAZOS TPICOS DE INSTRUMENTACIN Y CONTROL

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LAZOS TÍPICOS DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

• Dr. Juan Manuel Hernández Cid.
• Profesor-Investigador del Depto. de Electrónica,
  Sistemas e Informática.
• E-mail j.hernandez_at_ieee.org

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Presentación

• Cada participante comparte
• su nombre
• su carrera
• su experiencia profesional
• Pensar, anotar y entregar
• Lo que espero del curso
• Lo que quiero que suceda en el curso
• Lo que no quiero que suceda en el curso

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Objetivo

• Al término del módulo, el participante podrá
  definir y traducir las necesidades de
  instrumentación para la supervisión y el control
  de variables de procesos industriales.

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Contenido

• Introducción.
• Características metrológicas de los instrumentos.
• Introducción a la Instrumentación Industrial.
• Variables importantes de procesos industriales y
  su medición.
• Control de procesos industriales.

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Introducción.

• Procesos industriales.
• Detección o Medición de variables físicas.
• Supervisión o Control de procesos.
• Lazos de Instrumentación.

Un lazo es un instrumento o combinación de
instrumentos dispuestos para medir o controlar
una variable de proceso
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Introducción.
En este curso, se pretende introducir elementos
indispensables relacionados con metrología,
instrumentación industrial, control automático,
relaciones entre los instrumentos para lograr el
control (lazos de instrumentación) y tecnologías
emergentes (instrumentación virtual, inteligencia
de máquina)
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Qué es medir?

• Medir la expansión máxima de un chicle
• Medir el grado de picor de una salsa
• Medir el nivel de atención de alumnos
• Medir el afecto entre personas

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Características metrológicas de los instrumentos.

• METROLOGÍA
• Metros Medida
• Logos Tratado
• Ciencia que trata de las medidas, los sistemas de
  unidades adoptados y los instrumentos usados para
  efectuarlas e interpretarlas.
• ESENCIAL PARA EL DESARROLLO DEL COMERCIO, LA
  INDUSTRIA, LA TECNOLOGÍA Y LA CIENCIA.

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Metrología.

• Metrología Legal
• Normalización de las mediciones y coordinación de
  los sistemas metrológicos y sus lineamientos.
• Metrología Científica
• Responsable del mantenimiento de los patrones
  primarios, del diseño y reproducción de las
  definiciones internacionales, investigación y
  mantenimiento de los más altos niveles de
  exactitud.

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Metrología.

• Metrología Industrial
• Servicio de calibración mediante patrones de
  trabajo en laboratorios para usuarios finales.
• Además
• Metrología térmica, eléctrica, acústica,
  dimensional, etc.

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Metrología.

• Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM
  por sus siglas en francés) coordina a las
  instituciones nacionales de metrología.
  http//www.bipm.org/
• México cuenta con el Centro Nacional de
  Metrología (CENAM) http//www.cenam.mx/

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Sistema Nacional de Mediciones
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Límites de Especificaciones
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Límites de Especificaciones

• El Margen del Producto es la diferencia entre la
  característica promedio del producto, y los
  límites de control de pruebas, que usualmente son
  los límites pasa / no pasa utilizados en la línea
  de producción en las pruebas finales bajo
  condiciones ambientales normalizadas.
• Ambiente y Deriva representan los posibles
  cambios en las características del producto bajo
  cambios extremos de las condiciones ambientales y
  el cambio en características dentro del período
  de calibración.
• La Incertidumbre de Medición considera la posible
  dispersión de la medición en el equipo utilizado
  para caracterizar el producto.
• La Banda de Seguridad para el Cliente representa
  los márgenes considerados necesarios para
  asegurar que en el peor caso, cualquier unidad de
  producto suministrada al cliente tendrá mejores
  características que las publicadas en las
  especificaciones.

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Ruta hacia la Calidad
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ISO-9000. Requerimientos del Sistema de Calidad
4.11 Control de Equipo de Inspección, Medición y
Prueba "El equipo se debe utilizar de tal
manera que la incertidumbre de medición sea
conocida y consistente con la capacidad de
medición requerida... determinar las mediciones
que deben realizarse, la exactitud requerida...
identificar, calibrar y ajustar todo el equipo
de inspección, medición y prueba que puede
afectar la calidad del producto... con equipo
certificado con trazabilidad a patrones
nacionales reconocidos... asegurar que el equipo
de inspección, medición y prueba es capaz de la
exactitud, repetibilidad y reproducibilidad
necesarias...
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Aseguramiento de las Mediciones

• Por qué? Como elemento del sistema de calidad.
• Para qué? Para asegurar la calidad
  de las mediciones.
• Quién? El responsable del sistema de medición de
  la organización y los involucrados en el mismo
  operarios, usuarios, clientes internos, calidad,
  etc.
• Cómo? Con los elementos sugeridos por la norma
  ISO 10012-1 NMX-CC-17/1

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Medir Bien

• aumenta la confianza de los clientes
• permite asegurar la calidad del producto
  disminuyendo los costos de no-calidad
• apoya objetivamente las decisiones de mejora
• aumenta la eficiencia en el uso de recursos
• facilita la comparación en caso de controversia
• ayuda a mantener el negocio

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Reflexiones Sobre Medición

• Se empieza a conocer un concepto cuando se
  cuantifica.
• La naturaleza nos impide conocer con certeza
  absoluta el valor verdadero de una magnitud. Esto
  es, siempre nos quedamos con incertidumbre.
• La incertidumbre se estima, no es una
  cuantificación exacta.
• El resultado de una medición contiene al menos
  dos cantidades
• el valor considerado como más cercano al
  verdadero, y
• la estimación de la incertidumbre sobre ese
  valor.
• Mientras más larga sea la cadena de
  comparaciones, la incertidumbre será más grande.
• El nivel de incertidumbre adecuado depende de las
  necesidades del cliente.
• El resultado de una medición depende de todo el
  sistema.

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Sistema Internacional de Unidades (S.I.)

• Adoptado en 1875 (México en 1890) en el Tratado
  de la Convención del Metro.
• La Ley Federal sobre Metrología y Normalización
  establece que el SI es el sistema de unidades
  oficial en México.
• El S.I. comprende los siguientes tipos de
  unidades de base y derivadas.

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S.I.

• Siete (7) unidades de base
• Longitud, metro (m)
• Masa, kilogramo (kg)
• Tiempo, segundo (s)
• Corriente eléctrica, ampere (A)
• Temperatura, kelvin (K)
• Cantidad de materia, mol (mol)
• Intensidad luminosa, candela (cd)

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Unidad de longitud

• metro
• Es la longitud de la trayectoria recorrida por la
  luz en el vacío en un lapso de
• 1/299 792 458 de segundo
• (17 a CGPM de 1983)

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Unidad de masa

• kilogramo
• Es la masa igual a la del prototipo internacional
  del kilogramo
• (1a y 3a CGPM 1889 y 1901)

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Unidad de tiempo

• segundo
• Es la duración de
• 9 191 631 770 períodos de la radiación
  correspondiente a la transición entre los dos
  niveles hiperfinos del átomo de cesio 133
• (13 a CGPM 1967, resolución 1)

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Unidad de corriente eléctrica

• ampere
• Es la intensidad de una corriente constante que
  mantenida en dos conductores paralelos,
  rectilíneos de longitud infinita, de sección
  circular despreciable, colocados a un metro de
  distancia entre sí, en el vacío, producirá entre
  estos conductores una fuerza igual a 210-7
  newton por metro de longitud
• (9a CGPM 1948, resolución 2)

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Unidad de temperatura termodinámica

• kelvin
• Es la fracción 1/273,16 de la temperatura
  termodinámica del punto triple del agua
• (13a CGPM 1967, resolución 4)

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Unidad de intensidad luminosa

• Candela
• Es la intensidad luminosa en una dirección dada
  de una fuente que emite una radiación
  monocromática de frecuencia 5401012 Hertz y cuya
  intensidad energética en esa dirección es 1/683
  watt por estereoradián
• (16a CGPM 1979, resolución 3)

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Unidad de cantidad de substancia

• mol
• Es la cantidad de substancia que contiene tantas
  entidades elementales como existan átomos en
• 0,012 kg de carbono 12
• (14a. CGPM, resolución 3)

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Unidades SI base Vs. Unidades SI derivadas

• Unidades SI base
• L 4 m

• Unidades SI derivadas

V Ah
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Unidad SI derivadas

• Las unidades derivadas
• pueden ser clasificadas en 2 tipos
• Unidades derivadas
• que tienen nombre y símbolo especial
• Unidades derivadas
• sin nombre especial

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Unidades derivadascon nombre y símbolo especial
Magnitud Nombre (SI) Símbolofrecuencia hertz Hz
fuerza newton Npresión pascal Patrabajo,
energía joule Jcarga eléctrica coulomb Cpotencia
watt Wdif. de potencial volt Vresistencia
eléctrica ohm ?temperatura Celsius grado
Celsius ºC

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Unidades derivadassin nombre especial

• Magnitud nombre (SI) Símbolo

superficie metro cuadrado m2volumen
metro cúbico m3velocidad metro por
segundo m/saceleración metro por segundo
m/s2 al cuadrado
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Unidades que se conservan para utilizarse con el
SI

• Magnitud nombre (SI) Símbolo

tiempo minuto min hora
h día dángulo grado
o minuto segundo
volumen litro l,
Lmasa tonelada t
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Unidades que pueden utilizarse temporalmente
Magnitud Unidad Símbolosuperficie área a hectáre
a ha barn blongitud ångströn Å milla
marina -presión bar barvelocidad nudo -dosis
de radiación röntgen Rdosis absorbida curie Ciac
eleración gal Galequivalente de dosis rem rem
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Unidades fuera del SIque no deben utilizarse

• Nombre Valor en unidades SI

torr 1 torr (101 325/760) Pa atmósfera
normal 1 atm 101 325 Pakilogramo-fuerza
1 kgf 9,806 65 Nmicrón 1 ? 1 ?m
10-6 m Etcétera, etcétera, etcétera . . .

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Prefijos
37
Gramática del SI

• Los símbolos de las unidades deben escribirse en
  caracteres romanos rectos, no en caracteres
  oblicuos ni con letras cursivas.
• m, kg m , kg.
• El símbolo de la unidades debe escribirse con
  minúscula a excepción hecha de las que se derivan
  de nombres propios. No utilizar abreviaturas.
• m, s, A, Pa seg, Amp.

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Gramática del SI

• En los símbolos, la sustitución de una mayúscula
  por una minúscula no debe hacerse ya que puede
  cambiar el significado.
• 5 km 5 Km
• Los símbolos de las unidades se escriben sin
  punto final y no deben pluralizarse para no
  utilizar la letra s que por otra parte representa
  al segundo.
• 50 mm 50 mms.

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Gramática del SI

• Las unidades no se deben representar por sus
  símbolos cuando se escribe con letras su valor
  numérico.
• Cincuenta kilómetros cincuenta km
• Celsius es el único nombre de unidad que se
  escribe siempre con mayúscula, los demás siempre
  deben escribirse con minúscula, exceptuando
  cuando sea principio de una frase.

40
Gramática del SI

• El plural de los nombres de la unidades se forma
  siguiendo las reglas para la escritura del
  lenguaje.
• 10 newtons,
• 50 gramos

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Signo decimal y los números

• El signo decimal debe ser una coma sobre la línea
  (,).
• Los números deben ser separados por un pequeño
  espacio (nunca comas o puntos) en grupos de tres,
  a izquierda y derecha del signo decimal.
• 1 970,022 5
• 0,690 924

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Fechas por medio de dígitos
Se utilizan dos o cuatro caracteres para el año,
dos para el mes y dos para el día, en ese
orden24 de septiembre de 1969 1
969-09-2410 de febrero de 1996
96-02-10
43
El horario del día

• Debe utilizarse el sistema de 24 horas con dos
  dígitos para la hora, dos dígitos para los
  minutos y dos dígitos para los segundos.
  Correcto Incorrecto
• 20 h 00 8 PM 09 h 30 930 hrs 12
  h 40 min 30 12 h 4030

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Castellanización de Nombres

• INCORRECTO CORRECTO
• vatio watt
• amperio ampere
• voltio volt
• ohmio ohm
• faradio farad

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Magnitudes Vs. Unidades

• SE UTILIZA SE RECOMIENDA
• voltaje tensión eléctrica,
• diferencia de potencial,
• fuerza electromotriz, potencial eléctrico
• amperaje corriente eléctrica
• ciclaje frecuencia
• kilometraje distancia en kilómetros
• wattaje potencia, flujo energético
• cubicaje volumen

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Definiciones básicas

• Magnitud Es una variable física usada para
  especificar el comportamiento de la naturaleza de
  un sistema particular.
• Medida Es la evaluación de una magnitud hecha
  según su relación con otra magnitud de la misma
  especie adoptada como unidad ya sea de manera
  directa o indirecta.

47
Definiciones básicas

• Definición es una afirmación exacta acerca de lo
  que una unidad base es.
• Realización es el objeto físico cuyos atributos
  observados coinciden cercanamente con la
  definición.
• Reproducción es el objeto físico cuyos atributos
  observados pueden ser considerados como una
  realización indirecta.

48
Definiciones básicas

• Patrón Medio materializado, aparato de medición
  o sistema de medición destinado a definir,
  realizar, conservar o reproducir una unidad de
  medición conocida de una magnitud, para
  transmitirlo por comparación a otros instrumentos.

49
Definiciones básicas

• Trazabilidad Propiedad de una medición, física o
  química, o del valor de un patrón, por medio de
  la cual éstos pueden ser relacionados a
  referencias establecidas por los patrones
  apropiados, generalmente nacionales o
  internacionales, a través de una cadena
  ininterrumpida de comparaciones.

50
Trazabilidad
BIPM
incertidumbre
CENAM
PATRÓN NACIONAL
PATRÓN DE TRANSFERENCIA
PATRONES NACIONALES DE OTROS PAÍSES
PATRÓN DE TRABAJO
PATRÓN DE REFERENCIA
LABORATORIO SECUNDARIO MetAs
PATRÓN DE TRABAJO
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
ORGANIZACIÓN
INSTRUMENTO DE MEDICIÓN
51
Trazabilidad
52
Definiciones básicas

• Tolerancia Es la cantidad total que le es
  permitido variar a una dimensión especificada
  determinada por la diferencia entre los límites
  inferior y superior especificados.

53
Incertidumbre de medición
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Definiciones básicas

• Error Desviación a partir del valor real de la
  variable medida. Una medida del error es la
  incertidumbre, diferencia entre los valores
  máximo y mínimo obtenidos en una serie de
  lecturas sobre una misma dimensión constante.

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Tipos de errores

• Errores grandes
• Errores sistemáticos
• Errores aleatorios
• Además,
• Errores estáticos
• Errores dinámicos

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Errores

• ERROR ALEATORIO
• se presenta
• por variaciones impredecibles, temporales y
  espaciales, de las magnitudes de influencia.
• ERROR SISTEMÁTICO
• se presenta
• por un efecto reconocido, puede ser cuantificado
  y reducido mediante una corrección o factor de
  corrección para compensar dicho efecto.

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Como estimar, reducir y eliminar errores.
58
Clase de precisión

• 0.1, 0.2, 0.5 para aparatos de mediciones en
  laboratorios.
• 1, 1.5 para aparatos de mediciones en la
  industria.
• 2.5, 4 para aparatos de mediciones aproximadas de
  control.

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PATRONES DE MEDICIÓN
Patrón Patrón Internacional Patrón
Nacional Patrón Primario Patrón Secundario Patrón
de Referencia Patrón de Trabajo Patrón de
Transferencia Patrón Viajero Patrón
Básico Material de Referencia Certificado (MRC)
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Reconocimiento de Patrones

• PATRÓN NACIONAL
• Patrón reconocido por una decisión nacional en un
  país, que sirve de base para asignar valores a
  otros patrones de la magnitud concerniente.

• PATRÓN INTERNACIONAL
• Patrón reconocido por un acuerdo internacional,
  para utilizarse internacionalmente como base para
  asignar valores a otros patrones de la magnitud
  concerniente.

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Tipo de Patrones

• PATRÓN PRIMARIO
• Patrón que es designado o reconocido ampliamente
  como un patrón que tiene las más altas cualidades
  metrológicas y cuyo valor es aceptado sin
  referencia a otros patrones de la misma magnitud.

• PATRÓN SECUNDARIO
• Patrón cuyo valor es establecido por comparación
  con un patrón primario de la misma magnitud.

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Nivel de Patrones

• PATRÓN DE REFERENCIA
• Patrón, en general de la más alta calidad
  metrológica disponible en un lugar dado o en una
  organización determinada del cual se derivan las
  mediciones realizadas en dicho lugar.

• PATRÓN DE TRABAJO
• Patrón que es utilizado rutinariamente para
  calibrar o verificar medidas materializadas,
  instrumentos de medición o materiales de
  referencia. Usualmente este patrón es calibrado
  contra los de referencia.

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Uso de Patrones

• PATRÓN
• DE TRANSFERENCIA
• Patrón utilizado como intermediario para comparar
  patrones.

• PATRÓN
• VIAJERO
• Patrón, algunas veces de construcción especial
  destinado a ser transportado a distintos lugares.

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Decisión Metrológica
Calibro?
Relación de lecturas medidor-patrón.
Ajusto?
Logro funcionamiento adecuado.
Verifico?
Confirmo objetivamente el cumplimiento de
requisitos.
Valido?
Confirmo objetivamente el cumplimiento de
requisitos particulares para un uso específico
propuesto.
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Calibración
Por qué calibrar?

• Repetibilidad del proceso
• Transferencia de procesos
• Intercambio de instrumentos
• Control estadístico de procesos
• Determinar límites de especificaciones
• Incremento del tiempo efectivo de producción
• Cumplimiento del sistema de calidad

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Calibración

• Conjunto de operaciones que establecen, bajo
  condiciones especificas, la relación entre
• los valores de una magnitud indicados por
• un instrumento,
• o sistema de medición,
• o los valores representados por
• una medida materializada,
• y los valores correspondientes de la magnitud,
  realizados por
• los patrones.
• Nota no confundir ltcalibracióngt con ltajustegt,
  con ltverificacióngt, con ltvalidacióngt, con
  ltreparacióngt

67
Calibración
68
Quién debe Calibrar mis Instrumentos?
Laboratorio de metrología externo Laboratorio
de metrología propio
69
Dónde se deben Calibrar mis Instrumentos?
En el laboratorio de metrología Calibración in
situ
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Requisitos de unLaboratorio de Metrología
Sistema de calidad basado en ISO 17025 (ISO/IEC
Guide 25) Patrones de referencia de alta
exactitud Patrones calibrados con trazabilidad a
patrones nacionales Procedimientos de calibración
basados en normas y recomendaciones nacionales e
internacionales Instalaciones con condiciones
ambientales controladas que aseguren la
reproducibilidad de los servicios Personal
altamente especializado en metrología e
instrumentación Metrólogos dispuestos a resolver
sus problemas referentes a calibración Tiempo de
respuesta adecuado a sus necesidades
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Informe de Calibración (Certificado)
Fecha de calibración Patrones utilizados Trazabili
dad a patrones nacionales Condiciones de la
calibración Incertidumbre de calibración Resultado
s de la calibración

• errores
• incertidumbre expandida
• tablas
• gráficas
• curvas de ajuste

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Objetivos de la Calibración
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Ajuste (de un instrumento de medición)

• Operación de llevar un instrumento de medición a
  un estado de funcionamiento adecuado para su uso.
• Este ajuste puede ser automático, semiautomático
  o manual.

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Verificación

• Comprobación de un Instrumento de medición (o de
  una medida materializada), comprende las
  inspecciones llevadas a cabo por el laboratorio
  de metrología de acuerdo con las
  especificaciones, que para su uso aplique. Las
  verificaciones sirven para establecer si el
  instrumento sometido corresponde y satisface las
  especificaciones particulares.
• Puede incluir ajuste,
• (esta definición no es oficial).

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Validación

• Confirmación objetiva del cumplimiento de
  requisitos particulares para un uso específico
  propuesto