El desarrollo del nuevo laboratorio de magnetismo del CEM y los proyectos europeos TRaMM y METROMAG

Sergio Moltó González, Yolanda Álvarez Sanmamed, Javier Díaz de Aguilar
Centro Español de Metrología

Introducción

En los últimos años, la demanda de mediciones magnéticas ha aumentado considerablemente. Por este motivo, el Centro Español de Metrología (CEM) contactó y visitó varios laboratorios especializados en este ámbito, constatando una falta de trazabilidad nacional en dichas mediciones. Conscientes de la importancia que tiene para la industria y la investigación en este campo contar con una infraestructura metrológica de alto nivel, el CEM estableció el objetivo de la creación de un laboratorio de magnetismo. Dada la dificultad que entraña iniciarse en un nuevo campo de medida y teniendo en cuenta las excelentes herramientas de las que dispone EURAMET para el desarrollo de capacidades, como el proyecto CABUCO (Capacity Building Coordination), el CEM impulsó la iniciativa de un proyecto europeo que diera soporte a dicho objetivo. Como resultado de lo anterior, y tras contactar tanto con los INM que ya contaban con un amplio desarrollo en este campo como con aquellos que, al igual que el CEM, deseaban crear estas capacidades, se preparó y presentó a concurso para su financiación un proyecto cuyo objetivo era analizar en mayor profundidad las necesidades de la industria y de la sociedad a nivel europeo y, a partir de ellas, establecer los cimientos metrológicos de los nuevos laboratorios.

Surge así el proyecto Traceability Routes for Magnetic Measurements (TRaMM) [1], en el marco de los “Small Collaborative Projects” de EURAMET. Cabe destacar que, en los últimos años, la necesidad de contar con una infraestructura metrológica europea sólida se ha intensificado debido al avance de la electromovilidad y a las crecientes demandas del sector sanitario. Este proyecto da respuesta a las carencias detectadas, especialmente en el ámbito español.

Los “Small Collaborative Projects”, una herramienta del “Capacity Building Program” de EURAMET, tienen como objetivo promover la difusión de conocimientos y experiencia de un Instituto Nacional de Metrología con una especialización avanzada en un área concreta, hacia otros Institutos que poseen capacidades menos desarrolladas en dicho ámbito. En el caso específico del proyecto TRaMM, el “Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica” (INRIM), con su amplia experiencia en mediciones magnéticas, desempeñó el papel de líder, mientras que el Centro Español de Metrología (CEM) y el National Standards Authority of Ireland (NSAI) fueron los institutos que buscaban desarrollar sus capacidades en este campo.

Objetivos del proyecto

Los objetivos específicos del proyecto TRaMM son los siguientes:

1. Identificar las necesidades existentes de las partes interesadas en el ámbito de las medidas magnéticas y los servicios de calibración relacionados, así como las capacidades actuales a nivel europeo y los planes futuros para coordinar y fomentar la especialización en este campo.
2. Transferir conocimientos y experiencia relacionados con las técnicas de medida y calibración magnética (especialmente aquellos necesarios para atender las necesidades de las partes interesadas) desde el Instituto Nacional de Metrología (NMI) experto hacia los NMI en desarrollo.
3. Elaborar, por parte de cada socio, un plan que incluya la adquisición del hardware adecuado, el desarrollo de procedimientos de medida y esquemas de calidad, con el fin de obtener la capacidad necesaria para responder a las necesidades de las partes interesadas. El plan deberá contemplar la coordinación entre los institutos nacionales de metrología participantes y otros institutos, con el objetivo de preparar posibles acciones de seguimiento y facilitar la especialización en medidas magnéticas.

Como se puede extraer de los objetivos, este proyecto se centra fundamentalmente en la identificación de necesidades, la transferencia de conocimiento y la planificación de futuras acciones para fortalecer las capacidades en el ámbito de las medidas magnéticas.

Estado del arte en metrología magnética

Actualmente los patrones primarios utilizados en metrología magnética se basan en Resonancia Magnética Nuclear (RMN), un fenómeno cuántico que permite determinar el campo magnético midiendo la frecuencia de precesión del espín de los núcleos atómicos. Este fenómeno establece una relación lineal entre la intensidad del campo aplicado y la frecuencia de precesión del espín, siguiendo la ecuación de Larmor, que se muestra en la ecuación 1, donde \(B_0\) es el campo al que está sometida la muestra,  \(\gamma\) es el ratio giromagnético y \(\omega_0\) es la frecuencia de precesión del espín [2].

El ratio giromagnético depende del tipo de muestra de la sonda, los más habituales se basan en núcleos de hidrógeno (protones) apantallados por agua o núcleos de helio-3. Además, existen dos técnicas fundamentales para la medida de la resonancia magnética nuclear (RMN):

• Método de absorción u onda continua (CW por sus siglas en inglés): En este método tradicional, se aplica una señal de radiofrecuencia continua al núcleo en un campo magnético constante, o bien se barre el campo magnético manteniendo fija la radiofrecuencia. Cuando la frecuencia (o el campo) coincide con la resonancia nuclear, los núcleos absorben energía y se detecta un pico de absorción [3].
• Método de la precesión libre o decaimiento de la inducción libre (FID por sus siglas en inglés): Se aplica un pulso corto de radiofrecuencia que desplaza la magnetización nuclear fuera de su alineación con el campo magnético externo. Luego, al cesar el pulso, los núcleos precesan libremente alrededor del campo. El movimiento genera una señal inmediatamente después del pulso. Esa señal en el dominio del tiempo se transforma (por ejemplo mediante FFT) para obtener un espectro en el dominio de la frecuencia, permitiendo determinar con alta precisión la frecuencia de resonancia [4].

Resultados

Gracias al proyecto TRaMM, el Centro Español de Metrología ha establecido un nuevo laboratorio de magnetismo con nuevos patrones y sistemas de medida para dar trazabilidad en corriente continua, cubriendo inicialmente el rango de 100 µT a 100 mT, recientemente ampliado a 1 T. La trazabilidad se consigue a partir de sensores basados en el principio de la Resonancia Magnética Nuclear, se trata de una sonda de protones de hidrógenos apantallados en caucho de isopreno. El magnetómetro utilizado se basa en la técnica FID [5].

Para generar los campos magnéticos se dispone principalmente de dos tipos de fuentes: bobinas Helmholtz e imanes permanentes. Las bobinas Helmholtz son equipos que generan un campo magnético dependiendo de una intensidad eléctrica de entrada, tal y como muestra la ecuación 2, donde \(B_0\) es el campo magnético generado, \(I\) es la corriente eléctrica administrada a la bobina y \(K_H\) es la constante de Helmholtz de la bobina. Estos dispositivos constan de dos bobinas separadas una distancia igual a sus radios, lo que permite la generación de un campo magnético homogéneo en un rango del espacio entre ambas bobinas. Los imanes permanentes son equipos formados por materiales magnéticos que generan un campo magnético intrínseco. Existen equipos llamados electroimanes que unen ambos conceptos. Estos tienen un núcleo magnético y un bobinado cubriendo dicho núcleo, pudiendo así generar campos magnéticos más intensos que el del propio imán y modulables con una corriente eléctrica.

Una de las principales fuentes de incertidumbre es debida al campo magnético ambiente, cuyo módulo y dirección varían dependiendo de las variaciones del campo magnético terrestre y del ambiente electromagnético en el entorno del laboratorio, tales como altas corrientes eléctricas, movimiento de objetos magnéticos, transitorios generados en el arranque de vehículos de combustión o incluso a la influencia de la circulación del tránsito ferroviario. El sistema de cancelación implementado por el CEM [6] consta de tres bobinas Helmholtz orientadas en los ejes cartesianos. Mediante la medida del campo ambiente con un sensor tri-axial, se obtiene el valor de campo en cada dirección del espacio y se genera un campo contrario con el sistema de bobinas tri-axial. Esto permite cancelar componente a componente el valor del vector de campo magnético. El sistema de cancelación desarrollado es activo, siendo capaz de medir y cancelar el campo ambiental en un ciclo cerrado, garantizando así la estabilidad y exactitud de las mediciones. No obstante, el sistema también puede operar en modo pasivo: se mide el campo ambiental y, conociendo la constante de Helmholtz del conjunto de bobinas, se genera un campo opuesto que compensa el campo magnético ambiente sin sistema de retroalimentación de la señal.

El valor medio del campo ambiente en el laboratorio es de aproximadamente 40 µT. Sin embargo, gracias al sistema de compensación desarrollado, es posible reducirlo hasta 2 nT en módulo y garantizar durante las mediciones una estabilidad con un valor máximo constante de 20 nT.

Como consecuencia de las actuaciones del proyecto TRaMM se creó un nuevo consorcio formado por los institutos nacionales de metrología de España (CEM), Italia (INRIM), Irlanda (NSAI), Alemania (PTB), Inglaterra (NPL), Chequia (CMI), Ucrania (NSC Institute of Metrology), Grecia (EIM) y Turquía (TUBITAK), entre otras organizaciones. Este consorcio presentó el proyecto METROMAG [7], con el objetivo de  desarrollar una infraestructura europea para las medidas trazables de campo magnético de baja intensidad, en el rango de 10 µT a 10 mT, y mejorar los patrones de referencia existentes para estas intensidades de campo. Este proyecto fue seleccionado para su financiación e inició su actividad en junio de 2025. Entre los objetivos principales del proyecto se encuentran los siguientes:

1. Desarrollar patrones de medida trazables, óptimos y efectivos para campos magnéticos en el rango de 10 μT a 10 mT, donde la incertidumbre (con k = 2) varía entre 2 mT/T y 0 mT/T.
2. Desarrollar un patrón de transferencia robusto y viable, y un método de calibración cruzada para proporcionar trazabilidad a los laboratorios metrológicos con una precisión esperada de partes en 10⁴. Este patrón de transferencia se utilizará en una comparación dentro de este proyecto para asegurar la consistencia de las medidas realizadas en los distintos institutos y como base para solicitar nuevas  CMCs (Capacidades de Medida y Calibración).
3. Desarrollar nuevos métodos para la cancelación de campos magnéticos en presencia de campos de gradiente locales, compensando el ruido de alimentación en corriente continua (DC) y otras fuentes de ruido debido al desarrollo urbano que dificultan la calibración de nuevos sistemas de campos magnéticos bajos.
4. Desarrollar una infraestructura metrológica para campos magnéticos de baja intensidad que aborde las principales necesidades de las partes interesadas, incluyendo un enfoque de especialización, donde se seguirán diferentes rutas para la trazabilidad. Algunos NMIs se centrarán en apoyar las necesidades de investigación de vanguardia con incertidumbres relativas del orden de 10⁻⁷, mientras que otros se concentrarán en apoyar los estándares nacionales para satisfacer los requisitos de la industria, investigación y laboratorios de calibración con incertidumbres relativas del orden de 10⁻⁵.
5. Facilitar la adopción y operación a largo plazo de las capacidades, tecnología e infraestructura de medida desarrolladas en el proyecto por la cadena de suministro de mediciones organizaciones de desarrollo de estándares, y usuarios finales.

El CEM lidera el paquete de trabajo tres, consistente en el desarrollo de nuevos métodos para la cancelación de campo magnético. Dicho paquete de trabajo, que se alinea con el tercer objetivo del proyecto, resalta que para bajas intensidades de campo magnético la cancelación del campo magnético ambiente es crucial, ya que se generan campos del orden o menores del campo magnético terrestre. Tal y como se muestra en la Figura 3, las variaciones de campo magnético llegan a más de 100 nT, lo que supondría un 1 % en el rango de 10 μT.

Conclusiones

El proyecto TRaMM ha representado un punto de inflexión en el desarrollo de las capacidades nacionales en el ámbito de las medidas magnéticas. Gracias a su ejecución, el Centro Español de Metrología (CEM) ha establecido por primera vez en España una referencia nacional en magnetismo, con la creación de un nuevo laboratorio dotado de sistemas de medida basados en el principio de resonancia magnética nuclear.

La implementación de un sistema activo de cancelación del campo magnético ambiente, que permite reducir las perturbaciones desde aproximadamente 40 µT hasta 2 nT, ha sido un avance clave para garantizar la exactitud y estabilidad de las mediciones realizadas en el laboratorio [7].

El éxito del proyecto TRaMM ha servido como base para la creación del consorcio internacional que impulsa el nuevo proyecto METROMAG, orientado al desarrollo de una infraestructura europea de medidas magnéticas de baja intensidad. Este proyecto, que comenzó en 2025, permitirá extender las capacidades alcanzadas y optimizar los patrones de medida, métodos de calibración y técnicas de cancelación de campo, abordando las necesidades tanto de la industria como de la investigación avanzada.

En conjunto, las acciones desarrolladas en el marco de TRaMM y las futuras actividades de METROMAG contribuyen significativamente al fortalecimiento de la infraestructura metrológica europea en magnetismo, favoreciendo la coordinación, especialización y trazabilidad internacional de las medidas magnéticas, esenciales para sectores estratégicos como la electromovilidad, la salud y la instrumentación científica.

Trabajos futuros

Uno de los ámbitos de mayor interés es el de los campos magnéticos en corriente alterna, principalmente debido a su relevancia en la industria de la salud y en la seguridad laboral. La Comisión Internacional de Protección frente a la Radiación No Ionizante (ICNIRP, por sus siglas en inglés) establece límites máximos de exposición tanto para campos magnéticos como eléctricos en corriente continua [8] y alterna [9] . Los niveles recomendados para los campos magnéticos en corriente alterna son significativamente más bajos; por ejemplo, para 50 Hz, el límite en el ámbito laboral es de 1 mT, mientras que para la población general es de 0,2 mT. Estas medidas a 50 Hz son especialmente relevantes, ya que corresponden a la frecuencia de la corriente doméstica en España. Además, las recomendaciones de la ICNIRP establecen que, a medida que aumenta la frecuencia del campo magnético, disminuye la intensidad de campo tolerable.

Por otro lado, el desarrollo de la electromovilidad requiere medidas precisas de las propiedades magnéticas de los materiales, ya que los motores eléctricos emplean imanes y bobinados para convertir la energía eléctrica en movimiento. Es, por tanto, fundamental comprender en detalle el comportamiento magnético de los materiales utilizados en su fabricación. No obstante, muchos de estos parámetros dependen de la geometría de la muestra, lo que dificulta su evaluación directa para el uso final previsto.

Agradecimientos

El proyecto 24RPT02 MetroMag ha recibido financiación de la Asociación Europea de Metrología, cofinanciada por el Programa de Investigación e Innovación Horizonte Europa de la Unión Europea y por los Estados Participantes. El proyecto 21SCP02 TRaMM ha recibido financiación del Programa Europeo de Metrología para la Innovación y la Investigación (EMPIR), cofinanciado por los Estados participantes y por la Unión Europea.

Bibliografía

• «TRaMM». TRaMM, https://www.tracemag.eu.
• Morrish, A. H. The Physical Principles of Magnetism. (IEEE Press, New York, 2001). doi:10.1002/9780470546581.
• «19.1: Theory of Nuclear Magnetic Resonance». Chemistry LibreTexts, 26 de julio de 2022, https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Analytical_Chemistry/Instrumental_Analysis_(LibreTexts)/19%3A_Nuclear_Magnetic_Resonance_Spectroscopy/19.01%3A_Theory_of_Nuclear_Magnetic_Resonance.
• Schenzle, Axel, et al. «Oscillatory free-induction decay». Physical Review A, vol. 21, n.º 3, marzo de 1980, pp. 887-95. APS, https://doi.org/10.1103/PhysRevA.21.887.
• Molto, S. et al. Development of CEM’s Traceable Magnetic Measurements Laboratory. Acta IMEKO 14, 1–4 (2025).
• González, S. M., Sanmamed, Y. Á. & Rois, J. D. D. A. Magnetic Measurement System and Environmental Magnetic Field Compensation at CEM. IEEE Trans. Magn. 60, 1–4 (2024).
• 24RPT02 MetroMag. https://sites.google.com/inrim.it/metromag/home.

• «ICNIRP GUIDELINES ON LIMITS OF EXPOSURE TO STATIC MAGNETIC FIELDS». INTERNATIONAL COMMISSION ON NON‐IONIZING RADIATION PROTECTION, 2009, https://www.icnirp.org/cms/upload/publications/ICNIRPstatgdl.pdf.
• «ICNIRP GUIDELINES FOR LIMITING EXPOSURE TO TIME‐VARYING ELECTRIC AND MAGNETIC FIELDS (1HZ – 100 kHZ)». INTERNATIONAL COMMISSION ON NON‐IONIZING RADIATION PROTECTION, 2010, https://www.icnirp.org/cms/upload/publications/ICNIRPLFgdl.pdf.