Caracterización y valoración metrológica y electrónica del Proyector de Perfil PJ-300H
Enviado por Isol Lara
Estudio de los parámetros geométricos de explotación del proyector de perfiles y sus prestaciones metrológicas y electrónicas. Determinación experimental del alcance de la aplicabilidad del proyector de perfiles. La disponibilidad y asimilación de equipamientos de alta tecnología para su explotación requiere de estudios para determinar las características y alcances verdaderos para su aplicación así como la identificación de su flexibilidad para extender sus prestaciones desde el acceso a la información electrónica disponible en el mismo. En el caso del proyector de perfiles, se desconocen estos parámetros, lo cual debe determinarse a partir de una experimentación lo que conducirá a establecer su capacidad metrológica y electrónica.
Desde el principio de la evolución de la sociedad, el hombre, va formando en su mente la idea de medir. Estimaba una cantidad de masa comparando la fuerza necesaria para sostenerla, calculaba distancias basado en la fuerza necesaria para lanzar un objeto, o lo que podía caminar en un día.
Es fundamental para la sociedad obtener mediciones correctas y confiables debido a que esto ayuda a ordenar y facilitar las transacciones comerciales, incidiendo directamente en la calidad de vida de la población, además ayuda a preservar el medio ambiente y contribuye al uso racional de los recursos naturales.
En todo momento los ciudadanos y la industria toman decisiones basadas en los resultados de la medición, con la finalidad de garantizar la calidad de los bienes y servicios que consumen o producen. Las mediciones correctas y exactas ayudan a asegurar una competencia justa. Tal como lo indica la Ley de Metrología de Venezuela en su artículo Nº 1.
"Articulo1° Este Decreto con Rango, Valor y Fuerza de Ley, tendrá por objeto regular, organizar, desarrollar, promover, fomentar, consolidar y actualizar la infraestructura metrológica que impulse el crecimiento en el área de las mediciones, y garantizar la confiabilidad y uniformidad de las mismas, contribuyendo con la calidad de bienes y servicios, a fin de que las personas puedan realizar mediciones adecuadas como mecanismo para desarrollar condiciones más favorables de salud, ambiente y seguridad que permita satisfacerlas necesidades reales de los seres humanos, el desarrollo de la producción y el mantenimiento del intercambio de bienes y servicios entre los pueblos." (Venezuela 2007) [1]
A través de la historia se comprueba que el progreso de los pueblos siempre estuvo relacionado con su progreso en las mediciones En el comercio interno e internacional, la metrología desempeña un papel fundamental que permite garantizar la uniformidad y exactitud de las mediciones. Sin la aplicación de los controles metrológicos sobre los instrumentos de medida no sería posible distribuir los productos y artículos con igualdad a la población, se cometerían errores en los inventarios, la comercialización de mercancía se haría con cantidades equivocadas y se tomarían decisiones erradas en cuanto a la aceptabilidad de las especificaciones de los productos. Los diagnósticos sobre la salud de los ciudadanos no serían confiables como tampoco lo serían las dosis de las medicinas suministradas. Al no garantizase la confiabilidad de los sistemas de monitoreo y medición ambiental la protección de los ecosistemas sería imposible.
Las estadísticas indican que entre un 60 y 80 % de las fallas en una empresa están relacionadas a la ausencia de un óptimo sistema de aseguramiento metrológico, en otros términos, es poco probable conseguir buenos resultados en el proceso de fabricación de un producto, si los instrumentos de medición utilizados tales como balanzas, termómetros, reglas, pesas, entre otros, no le ofrecen mediciones confiables. (INDECOPI 2011) [2]
El desarrollo de la tecnología, la industria y el comercio, han estado exigiendo un adelanto en el perfeccionamiento de los métodos y medios de medición. (MetAs 2006) [3]
En la actualidad, para la obtención de un producto con la calidad especificada es indispensable realizar mediciones en el proceso productivo y las actuales tecnologías requieren cada vez más de una mayor uniformidad en la obtención del valor de cualquier parámetro, o característica para asegurar la calidad a partir de la mejora de la exactitud aplicando el desarrollo de la ciencia y la técnica.
En el laboratorio de Metrología del Taller de Máquinas Herramientas del Departamento de Mecánica del IUT RC "Dr. Federico Rivero Palacio", no existe una metodología adecuada para utilizar o explotar las posibilidades y flexibilidad existentes, que ayude a identificar las características y propiedades metrológicas de los equipos que debido a su complejidad, diversidad y difícil interpretación no facilita su apropiado uso. En el laboratorio anteriormente mensionado existe un comparador óptico o Proyector de Perfil, marca Mitutoyo, Modelo PJ-H3000F (Unceta 2002) [4]. El uso de este instrumento de medida actualmente es muy limitado, ya que se desconocen las posibilidades de explotación del mismo. Además, existe un procesador de datos modelo Micropack 9 que permite realizar varios cálculos de mediciones bidimensionales, el cual se puede conectar al Proyector de perfiles (Unceta 2002) [5], y también se desconocen los parámetros de funcionamiento del mismo, lo cual es necesario determinar a partir de una experimentación lo que conducirá a establecer su capacidad metrológica y su aplicación. Considerando la dificultad que existe para asimilar e incorporar equipamientos de alta tecnología como el proyector de perfiles y extender sus prestaciones desde el acceso a la información electrónica disponible en el mismo, es necesario realizar un procedimiento adecuado para utilizar las posibilidades existentes del Proyector de Perfiles, debido a su complejidad, diversidad y no fácil interpretación, lo cual no permite definir su flexibilidad y extender su alcance a su aplicabilidad. Lo expuesto anteriormente una síntesis del planteamiento del problema que da origen a la investigación.
Es por ello que se plantea el problema científico siguiente: La disponibilidad y asimilación de equipamientos de alta tecnología para su explotación requiere de estudios para determinar las características y alcances verdaderos para su aplicación, así como la identificación de su flexibilidad para extender sus prestaciones desde el acceso a la información electrónica disponible en el mismo. Debido a que no existe un procedimiento que permita un adecuado uso.
Además, para lograr una medición con resultados uniformes y confiables es necesario primero garantizar la trazabilidad de los instrumentos de medición, a través de la calibración de los mismos y luego establecer un procedimiento para estimar la incertidumbre de la medición y conocer la el nivel de confianza de los resultados emitidos. Para garantizar el aprovechamiento de los equipos y extender sus prestaciones este trabajo plantea el problema científico con las siguientes interrogantes ¿Cuáles son las características electrónicas y metrológicas que permiten extender el campo de aplicación sobre la base del acceso a la información de la señal que brinda el equipo? y ¿Cómo se puede determinar la valoración metrológica y electrónica de los equipos?
En correspondencia con el problema científico se plantea la hipótesis de investigación: Mediante la aplicación de una metodologia, para la asimilación de tecnología de punta y generalizar sus aplicaciones sobre la base del acceso a la información de la señal que brinda la misma.
Esta hipótesis se confirma si, el procedimiento elaborado, contribuye en la explotación y aplicación de las prestaciones del proyector de perfil en la medición de piezas en dos dimensiones y los beneficios del procesamiento de datos, proporcionar datos a dispositivos externos, con un mínimo de número de funciones y de múltiples propósitos, además de la integración a sistemas de medición y control de calidad mediante la conexión a procesadores de datos o computadores personales, y la validación de los resultados de medida, a través de la estimación de la incertidumbre.
En consecuencia con la hipótesis planteada se define como objetivo general: Proponer una metodología para una mejor explotación y aplicación de las prestaciones del Proyector de Perfiles, mediante un estudio de las capacidades metrológicas y electrónicas. Determinar las características y aplicabilidad del Proyector de Perfil mediante un estudio de las capacidades metrológica y electrónica.
De este se desglosan como objetivos específicos los siguientes:
1. Establecer el estado del arte a partir de la búsqueda de información de fuentes nacionales e internacionales existentes relacionadas con los Proyectores de Perfil, sensores y procesadores de datos y su explotación adecuada.
2. Realizar el diagnostico del proyector de perfiles para determinar los parámetros geométricos de explotación y sus prestaciones metrológicas y electrónicas.
El aporte de índole científico de la presente investigación consiste en la elaboración de una guía que contribuye la asimilación e implementación de nueva tecnología, el cual puede ser aplicado por otros laboratorios de medición que adquieran nueva tecnología.
Aporte metodológico: ofrece un procedimiento metodológico que permite contribuir a la aprovechamiento, aplicación y uso del equipo.
Aporte práctico: se va disponer de una guía/manual en la que se incluye un procedimiento con ejemplos que ilustran la aplicación y flexibilidad del Proyector de perfil.
Impacto: se espera obtener un beneficio didáctico debido a que se va a disponer de un procedimiento para el desarrollo rápido de los procesos de medición, con fines docentes y científicos, a demás, se espera poder brindar servicios a la industria de medición de piezas complejas que no se disponga de sus planos, garantizando resultados rápidos y confiables.
A continuación se realiza un resumen del contenido de cada capítulo.
El Capítulo I: Marco teórico referencial de la investigación.
Para confeccionar el marco teórico referencial se realiza la revisión de la literatura orientada en dos vertientes: la base metrológica, dirigida fundamentalmente al estudio del proyector de perfiles, sus características metrológicas y principio de funcionamiento; así como su evolución hasta la actualidad; y la base practica para identificar flexibilidad para extender sus prestaciones desde el acceso a la información electrónica disponible, para determinar a partir de una experimentación la capacidad metrológica y por ende la valoración de los resultados emitidos.
El Capítulo II: Parámetros geométricos de explotación y prestaciones metrológicas y electrónicas del proyector de perfil.
Para realizar el diagnostico del Proyector de perfiles es necesario identificar los parámetros geométricos de explotación y así definir el alcance de las prestaciones metrológicas y electrónicas del mismo.
1.1 Introducción
Actualmente la ciencia y la tecnología son base en la sociedad moderna, en esta existen varios sistemas que interactúan y afectan la calidad de la vida. Algunos de estos sistemas sociales son claramente visibles en la vida (política, legal, educación, salud, etc.) No obstante, existe un sistema esencial para la calidad de la vida, que no son se distingue por sí solo, como es el sistema metrológico de un país el cual se extiende a todos los sistemas, tal como lo indica la Sociedad de metrólogos de México en su publicación "Metrología en la vida cotidiana" (MetAs 2006) [3]
Las mediciones correctas tienen una importancia fundamental para los gobiernos, para las empresas y para la población en general, ayudando a ordenar y facilitar las transacciones comerciales. A menudo las cantidades y las características de un producto son resultado de un contrato entre el cliente (consumidor) y el proveedor (fabricante); las mediciones facilitan este proceso y por ende inciden en la calidad de vida de la población, protegiendo al consumidor, ayudando a preservar el medio ambiente y contribuyendo a usar racionalmente los recursos naturales.
Marbán y Pellezer (2002) afirma que el rol de la metrología es garantizar la uniformidad de las mediciones en todos sus ámbitos de aplicación, por conveniencia, se hace a menudo una distinción entre los diversos campos de aplicación de la metrología; suelen distinguirse como Metrología Científica, Metrología Legal y Metrología Industrial. (Marban and Pellezer 2002) [6]
La primera está encargada de la investigación que conduce a la elaboración de patrones sobre bases científicas y promueve su reconocimiento y la equivalencia de éstos a nivel internacional. Las otras dos están relacionadas con la diseminación a nivel nacional de los patrones en el comercio y en la industria. La que se relaciona con las transacciones comerciales se denomina Metrología Legal y busca garantizar, a todo nivel, que el cliente que compra algo reciba la cantidad efectivamente pactada. La otra rama se denomina Metrología Industrial y se relaciona con la industria manufacturera; persigue promover en la industria manufacturera y de servicios la competitividad a través de la permanente mejora de las mediciones que inciden en la calidad. (Marban and Pellezer 2002) [6]
Gran parte de la industria y la tecnología se basa en la medición de longitud, desde el paso de rosca en una tuerca y el tornillo de precisión de piezas mecanizadas en los motores de automóviles hasta las pequeñas estructuras de los microchips, la abertura de un tamiz de la industria farmacéutica y todos requieren de una trazabilidad exacta al patrón nacional de longitud mantenido por el Instituto Nacional de Metrología Sencamer bajo la dirección de Metrología.
Es necesaria la metrología para la ciencia, citando a Lord Kelvin "si se puede medir acerca de lo que se esta hablando y expresarlo en números, entonces se sabe algo acerca de eso. Cunado no se puede expresar en números el conocimiento es meramente insatisfactorio y deficiente". Entonces las ideas se expresan en forma de teoría, y por mediciones científicas será validada, o rechazada dicha teoría.
1.2. La Metrología Dimensional
La metrología dimensional es la ciencia aplicada que se encarga de estudiar las técnicas de medición que determinan correctamente las magnitudes lineales y angulares. La finalidad básica de las mediciones dimensionales en la producción es garantizar y verificar la concordancia del producto fabricado con sus especificaciones de diseño.
La necesidad actual de una mayor exactitud en las mediciones requerida en la fabricación debido a nuevas exigencias tolerancias de fabricación más estrechas, en busca de un ahorro de material y peso, es decir, razones operativas y económicas; mayor precisión operacional y mejor funcionamiento en engranajes, rodillos, elementos de guiado, etc., lo que implica tolerancias de posición y forma geométricas y de calidad superficial más estrictas; diseño compensado entre fuerzas y tensiones, para aquellos elementos que trabajan sobrecargados y requieren desviaciones de forma reducidas, garantizando el funcionamiento de los mismos bajo deformaciones elásticas causadas por las cargas aplicadas; estandarización, para asegurar la intercambiabilidad de piezas y elementos en general, de forma que se garantice el montaje, mantenimiento de equipos, así como también la producción; confiabilidad en el funcionamiento de máquinas, equipos y fabricaciones en general, contraídas y ensambladas con tolerancias de forma y posición muy reducidas. (Zeleny and González 2000) [7]
1.2.1. Clasificación de las mediciones
Zeleny y González (2008) explican que la medición se puede dividir en directa, cuando el valor de la medida se obtiene directamente de los trazos o divisiones de los instrumentos; o indirecta, cuando para obtener el valor de la medida necesitamos compararla con alguna referencia, la Figura 1 muestra una relación de las medidas dimensionales y los instrumentos
Otra clasificación de las mediciones dimensionales lineales, específicamente son las mediciones por contacto y sin contacto, siendo el proyector de perfil una medición sin contacto.
Ilustración 1 Clasificación de instrumentos y equipos de medición en metrología dimensional (Zeleny and González 2000) [7]
La medición dimensional realizada con instrumentos de indicación analógica se representa con un número finito de dígitos, siendo este una estimación que el analista puede realizar sobre la escala. Los instrumentos electrodigitales son capaces de mostrar valores instantáneos evitando así el juicio del analista en la lectura de la escala. Para proporcionar una lectura digital es necesario disponer de un mecanismo para convertir valores de datos analógicos en digitales.
Esta especialidad es de gran importancia en la industria en general pero muy especialmente en la de manufactura pues las dimensiones y la geometría de los componentes de un producto son características esenciales del mismo, ya que, entre otras razones, la producción de los diversos componentes debe ser dimensionalmente homogénea, de tal suerte que estos sean intercambiables aun cuando sean fabricados en distintas máquinas, en distintas plantas, en distintas empresas o, incluso, en distintos países. (Centro Nacional de Metrología de México, 2010).
1.3. Proyector de Perfiles
El proyector de perfil, en la clasificación anterior se ubica en las mediciones lineales indirectas comparativas, como un comparador óptico. El equipo de medición óptica más utilizado en diversas industrias es el comparador óptico; también se le conoce como Proyector de Perfiles, porque es un excelente medio para medir piezas pequeñas a través de la visualización de su imagen amplificada sobre una pantalla traslúcida.
Un proyector de perfil es un equipo medidor de dimensiones y formas, por amplificación óptica, que permite la realización de medidas directas o con desplazamiento, sobre una pantalla de proyección
Los PP se clasifican, por el tipo de iluminación que emplean, de eje horizontal, y de eje vertical (Zeleny and González 2000) [7]. La investigación se concentra en la evaluación de un comparador vertical descendente.
Proyector de perfiles de eje horizontal: en este tipo de proyectores el haz luminoso incide sobre el mensurando horizontalmente. Estos proyectores poseen campos de medida mayores (de hasta un metro y mayores), adecuados para piezas grandes y pesadas, que se sitúan sobre mesas de acero dotadas de ranuras y elementos de fijación. A veces, todo el sistema de sustentación e iluminación se encuentra situado en un lateral del instrumento. Su precisión es menor que la de los proyectores de eje vertical. Los dos ejes longitudinales de medida suelen denominarse X y Z, utilizándose el eje Y para el enfoque.(James Hartness and W. 1929) [11]
Proyector de perfiles de eje vertical: en este tipo de proyectores el haz luminoso incide sobre el mensurando verticalmente. La pieza suele situarse sobre una mesa de cristal, a través de la cual se transmite el haz luminoso. Se trata de instrumentos con campos de medida pequeños (de hasta 0,2 ó 0,3 metros como máximo en cada eje de medida), adecuados para piezas pequeñas y ligeras, siendo en cambio los de mayor precisión. En ellos los dos ejes longitudinales de medida se denominan X e Y, utilizándose el eje Z para el enfoque (MINER-CEM [12].
La clasificación anterior está basada en la iluminación de contorno, pero además de ésta se tiene iluminación de superficies. Con la iluminación de contorno es posible hacer mediciones y con la de superficie pueden hacerse observaciones de las condiciones de la superficie y mediciones. Ambos tipos de iluminación pueden utilizarse simultáneamente y, por lo general, se cuenta con un control que permite aumentar la intensidad de la iluminación de superficie por arriba de lo normal, para usarse con superficies poco reflejantes. Se recomienda sólo utilizar alta intensidad cuando sea necesario para no reducir la vida útil de la lámpara. La figura 2 muestra la trayectoria de la luz en un comparador óptico de iluminación vertical ascendente.(BIPM 2008) [8]
Fig. 1 Trayectoria de la luz en un comparador óptico de iluminación vertical ascendente
Para usar la iluminación de superficie se requiere utilizar un espejo semirreflejante o espejo semiazogado (el cual se obtiene evaporado TiO y ZnS en un cristal delgado), que se coloca frente a las lentes de proyección de bajo aumento (10x y 20x) y que está integrado dentro de las lentes de proyección de alto aumento (50x y 100x). Para mejorar el contraste de la imagen pueden utilizarse espejos de reflexión y así iluminar la superficie de la pieza en dirección oblicua a ella. Sin embargo, con este último método pueden ocurrir errores de dimensión
En los PP de iluminación vertical es necesario que la luz pase a través de la mesa y. por tanto, lleva en su parte central un vidrio grueso. Sobre la mesa se coloca la pieza que vaya a medirse y ésta se aleja o acerca al lente de proyección girando la manivela para enfocar hasta que se logre obtener una imagen claramente definida de la parte que se desea medir u observar sobre la pantalla.
1.3.1. Historia de Proyector de Perfil
El primer proyector de perfil comercial era una creación de James Hartness y de Porters Russell W . Hartness continuó un largo trabajo como presidente de la Comisión Nacional de Rosca de los Estados Unidos, aplicando su conocimiento de para el problema de la inspección de roscas. Esta invención desarrolló un aparato para inspeccionar y calibrar los elementos roscados, basados en la necesidad de estandarizar los tamaños de rosca.
En las siguientes décadas estos equipos fueron mejorados, ampliando el alcance de su uso como es el caso de Edward Bausch and Henry F. Kurtz en 1931 y Jones & Lamson Machine Company, Springfield, una Corporación de Vermont en 1934, desarrollando un Comparador que se adaptara a ensayos en objetos de diversa índole, tales como engranajes, moldes para botellas, piezas que por sus dimensiones se dificultaba su medición y demás objetos con contornos que requieren ser definidos con exactitudes dentro de límites de error especificados .
Desde su invención en 1920, comparadores ópticos han cambiado muy poco. Las mejoras durante los años han agregado una exactitud más alta y facilidad de manejo, pero en general, los comparadores ópticos se ven y funcionan igual como lo han hecho.
En la década de 1940, se hizo evidente que los comparadores ópticos son instrumentos indispensables del proceso de diseño y producción. En la Segunda Guerra Mundial, la industria de defensa utilizó comparadores ópticos para armas y equipos especiales. Esto, y una floreciente industria del automóvil, ayudaron al comparador óptico convertirse en un elemento básico en la medición a partir de la década de 1950.
La detección automática de bordes se añadió en la década de 1960 y en la década de 1970 se añadió la capacidad de lectura digital. Antes de eso, la precisión de medición se basó en el eje de un codificador rotatorio (con una manivela para girar y mover el escenario). Este sistema es sustituido por Encoders de sistemas lineales.
A pesar de una serie de avances tecnológicos y docenas de tamaños, ampliaciones y características especiales, el comparador óptico todavía se basa en un conjunto óptico relativamente complejo que aumenta y proyecta la imagen de la pieza con una distorsión mínima.
En la última década, los cambios en los comparadores ópticos se han centrado en la funcionalidad adicional, la mejora de la calidad de las imágenes, la creación de máquinas totalmente automáticas y la integración de la tecnología informática en el sistema.
Por ahora, la mayoría de los operadores de equipos de medición son competentes con las computadoras, por lo que su uso con un sistema comparador óptico no añade ninguna dificultad. "A medida que las computadoras se han convertido en un precio razonable y el operador promedio se sienta cómodo con ellos, se han convertido en equipos estándar en casi un comparador óptico", dice Klepp. Además, el software aumenta las capacidades del comparador óptico y hace más fácil para los operadores a utilizar las funciones especiales del sistema, tales como la transferencia de puntos de medida seleccionada en un programa que directamente se puede comparar con datos de archivos CAD.
En el año 2000 un comparador óptico con tecnología de escala de reflexión, que es capaz de eliminar cualquier reacción de los sistemas lineales. Además, Dorsey ha publicado recientemente el primer comparador con tres ejes contacto de sondeo. "Históricamente, el talón de Aquiles de un comparador óptico ha sido su limitación para medir sólo dos ejes," dice Klepp. Ya sea mediante la integración de una sonda de contacto o un dispositivo de láser sin contacto, el comparador óptico es ahora capaz de medir en el eje Z
Dispositivos de medida
Los dispositivos de medición son los medios técnicos con los cuales se efectúan las mediciones, y que comprenden los instrumentos, sistemas de medida y medidas materializadas tal como lo muestra la ilustración 2. Estos tienen una serie de propiedades que se deben identificar e interpretar para caracterizar los mismos y así poder definir el alcance de sus prestaciones. El VIM[1](2008) define cada uno de estos términos de forma muy precisa, este Vocabulario pretende ser una referencia común para científicos, ingenieros, físicos, químicos, médicos, biólogos, así como para profesores, estudiantes y todo aquel, implicado en la planificación o realización de mediciones, cualquiera que sea el campo de aplicación y el nivel de incertidumbre de la medida. Los conceptos utilizados en los diferentes enfoques descriptivos de las mediciones se presentan de manera conjunta. Sin embargo, este Vocabulario intenta promover la armonización global de la terminología utilizada en metrología.
Ilustración 2 Esquema de los dispositivos de medida
En dicho vocabulario se pueden identificar las propiedades de los instrumentos de medida, los cuales son necesarios para caracterizar el Proyector de Perfil.
Propiedades de los Dispositivos de Medida
Para unificar o normalizar los términos referentes a las características o propiedades de los dispositivos de medida, se presenta un esquema donde se identifican cada uno de estos y sus posibles relaciones
Ilustración 3. Diagrama conceptual de las "propiedades metrológicas de un instrumento de medida o de un sistema de medida" (BIPM 2008) [8]
La definición de cada un de estos términos se encuentra en el glosario
Teoría de Error
La Naturaleza aleatoria de los procesos de medición y la importancia técnica y científica de los resultados, justifican el estudio de algunos de estos procesos empleando la teoría de Probabilidades (que se ocupa del estudio de las características matemáticas de los modelos para fenómenos aleatorios) y la Estadística (que se ocupa del contraste de los modelos para fenómenos aleatorios con los datos experimentales acumulados) que constituyen la base para la Teoría de Errores.
Un fenómeno se dice aleatorio sí, a pesar de repetirse cuidadosamente las condiciones de su preparación, el resultado no siempre es el mismo. Un buen ejemplo de fenómenos aleatorios lo constituyen los resultados de la medición, cuyas condiciones de preparación quedan determinadas, una vez que han sido especificadas los componentes de un sistema de medición por:
1. El objeto que va a ser sometido a la medición (cuerpo, sustancia, fenómeno físico, estado de un sistema de cuerpos).
2. Los medios de medición (instrumentos, medidas materializadas, dispositivos auxiliares, instalaciones que vayan a ser utilizadas)
3. El método de medición (modo de empleo de los medios de medición)
4. El ambiente en que va a producirse la medición.
5. El observador.
6. Los métodos de cálculos
La definición de error de medición dada por el Vocabulario Internacional de Metrología (VIM) indica que es la diferencia entre un valor medido de una magnitud y un valor de referencia. Además aclara que el concepto de error de medida puede emplearse en las siguientes condiciones:
a) cuando exista un único valor de referencia, como en el caso de realizar una calibración mediante un patrón cuyo valor medido tenga una incertidumbre de medida despreciable, o cuando se toma un valor convencional, en cuyo caso el error es conocido.
b) cuando el mensurando se supone representado por un valor verdadero único o por un conjunto de valores verdaderos, de amplitud despreciable, en cuyo caso el error es desconocido.
Además, afirma que conviene no confundir el error de medida con un error en la producción o con un error humano.
Los errores de medición tienen dos componentes, uno aleatorio y el otro sistemático, por ende es necesario identificarlos, el error aleatorio de las mediciones es la componente del error de medida que, en mediciones repetidas, varía de manera impredecible y el error sistemático es la componente del error de medida que, en mediciones repetidas, permanece constante o varía de manera predecible (BIPM 2008) [8]. Estos componentes del error de medición solo se pueden estimar.
Para un fenómeno aleatorio dado, están determinados los posibles resultados del mismo. Un suceso es un conjunto de tales resultados (puede ser, por ejemplo, un intervalo de valores, si el fenómeno aleatorio es una medición).
En las operaciones de medición o calibración son inadmisibles las irregularidades que sobrepasen determinados niveles: poco o nada puede hacerse para lograr la objetividad de los resultados obtenidos y la concordancia con los resultados a que lleguen otros laboratorios. Como las condiciones de preparación del fenómeno aleatorio constituido por la medición, quedan determinadas al dar el sistema de medición, las causas de la falta de control estadístico deben buscarse en la inestabilidad de uno o varios componentes del sistema de medición (en su especificación insuficiente, o en la variación de algunas de sus propiedades o características)
Una vez que han sido fijados los componentes del sistema de medición, controlando suficientemente los factores que los afectan, las observaciones obtenidas seguirán una distribución de probabilidades estable que, por simplicidad, se puede suponer normal.
Dado lo anterior, para representar mediante un solo número (que se considera portador de la información esencial en relación con las mediciones que se realicen con este sistema) las infinitas posibilidades de medición de un sistema dado, se elige al valor promedio que caracteriza el centro de distribución.
Es en este sentido que se afirma que la medida aritmética es un valor mejor que cualquiera de las mediciones y que esta medida es mejor en tanto se realicen mayor cantidad de mediciones.
En general los errores aleatorios pueden tener cualquier signo, presentándose más frecuentemente los errores pequeños.
Los resultados expresan características muy importantes de las mediciones, no obstante, algo falta para asegurar la representatividad de las mediciones: averiguar que pasara, si en un sistema de medición se cambian algunos de los componentes que no sea el objeto sometido a la medición. Si lo que se mide representa verdaderamente alguna característica del objeto, ésta no debe depender de los restantes componentes del sistema.
La dificultad planteada, se resuelve normalizando: si lo que se mide es una magnitud física, ésta interviene de manera esencial en la formulación de las leyes generales que pueden aplicarse a una variedad inmensa e situaciones. Ahora bien, la aplicación de tales leyes a la solución de problemas que representan situaciones altamente simplificadas da la posibilidad de concebir sistemas de medición "ideales" en los que las propias leyes de la Física garantizan la concordancia de valores que se obtendrán con ellos.
Entonces, la referencia natural para saber cual es el valor "verdadero" de la característica que se mide en el objeto, es el valor desprovisto de errores aleatorios que se obtendría si se utiliza para la medición, uno cualquiera de los infinitos sistemas ideales que podría conceptuarse. Al valor desprovisto de errores aleatorios obtenido con un sistema real se le considera afectado por un error sistemático.
Como el valor Verdadero es incognoscible, se emplea en su lugar el Valor Convencionalmente Verdadero que, para un fin determinado, puede usarse en lugar de éste.
Cabe destacar que para que tenga sentido el estudio de los errores aleatorios y sistemáticos de las mediciones realizadas con un sistema de medición dado, el sistema debe encontrarse en estado de control estadístico.
En Metrología se conoce muy frecuentemente el carácter aleatorio del proceso de medición y se formulan modelos para el mismo. Se requiere en estos modelos, la probabilidad de que el resultado X de la medición esté comprendido entre los valores a y b, es decir, P (a/font>
En las operaciones de medición o calibración son inadmisibles las irregularidades que sobrepasen determinados niveles: poco o nada puede hacerse para lograr la objetividad de los resultados obtenidos y la concordancia con los resultados a que lleguen otros laboratorios. Como las condiciones de preparación del fenómeno aleatorio constituido por la medición, quedan determinadas al dar el sistema de medición, las causas de la falta de control estadístico deben buscarse en la inestabilidad de uno o varios componentes del sistema de medición (en su especificación insuficiente, o en la variación de algunas de sus propiedades o características.
En general los errores aleatorios pueden tener cualquier signo, presentándose más frecuentemente los errores de menor magnitud.
Cabe destacar que para que tenga sentido el estudio de los errores aleatorios y sistemáticos de las mediciones realizadas con un sistema de medición dado, el sistema debe encontrarse en estado de control estadístico.
Cuando se realiza una medición, ya sea directa o indirectamente, el resultado que se obtiene no es necesariamente el valor exacto de tal medida, ya que el resultado obtenido estará afectado por errores debidos a multitud de factores.
Considerando el origen donde se produce el error, se puede hacer una clasificación general de estos en: errores asociados al instrumento de medición, al operador, al método de medición, a agentes externos y matemáticos.
Clasificación de los errores según su origen
Considerando el origen donde se produce el error, se puede hacer una clasificación general de estos en: errores asociados al instrumento de medición, al operador, al método de medición, a agentes externos y matemáticos.
errores asociados al instrumento
Las causas de errores atribuibles al instrumento, pueden deberse a defectos de fabricación (dado que es imposible construir aparatos perfectos). Estos pueden ser deformaciones, falta de linealidad, imperfecciones mecánicas, falta de paralelismo, histéresis, proporcionalidad, entre otros.
El error instrumental tiene valores máximos permisibles, establecidos en normas o información técnica de fabricantes de instrumentos, y puede determinarse mediante calibración.
Es necesario un sistema de gestión de las mediciones que establezca la confirmación metrológica que inicia desde el aseguramiento de los procesos de medición, calibración, verificación, establecimientos de los intervalos.
errores asociados al operador
Muchas de las causas del error aleatorio se deben al operador, por ejemplo: falta de agudeza visual, descuido, cansancio, alteraciones emocionales, etcétera. Para reducir este tipo de errores es necesario argumentar y demostrar la competencia del personal para las funciones metrológicas asignadas.
errores asociados al método de medición
Error por el uso de instrumentos no calibrados; error por la fuerza ejercida al efectuar mediciones que puede provocar deformaciones en la pieza por medir, el instrumento o ambos; error por instrumento inadecuado; errores por método de sujeción del instrumento; error por distorsión; error de paralaje debido a la posición incorrecta del operador con respecto a la escala graduada del instrumento de medición, la cual está en un plano diferente; error de posición; error por desgaste de los instrumentos de medición.
De forma general otros errores que también son atribuidos al método son: aproximaciones al principio de medición, simplificación del método, consideraciones de cumplimiento de leyes físicas por el uso de consideraciones empíricas y errores por extrapolar una propiedad que se mide en una sola parte del mensurando.
Error por agentes externos
Entre las causas de errores se encuentran las condiciones ambientales en que se hace la medición; entre las principales destacan la temperatura, la humedad, el polvo y las vibraciones o interferencias (ruido) electromagnéticas extrañas.
Todos los materiales que componen tanto las piezas por medir como los instrumentos de medición, están sujetos a variaciones longitudinales debido a cambios de temperatura. Para minimizar estos errores se estableció internacionalmente, desde 1932, como norma una temperatura de referencia de 20ºC para efectuar las mediciones.
Errores matemáticos
El error de redondeo, uso de fórmulas inadecuadas, así como constantes y coeficientes aproximados.
Incertidumbre de las Mediciones
El propósito de una medición es determinar el valor de una magnitud, llamada el mensurando, que de acuerdo al VIM (BIPM 2008) [8], magnitud que se desea medir, es decir, el atributo sujeto a medición de un fenómeno, cuerpo o sustancia que puede ser distinguido cualitativamente y determinado cuantitativamente. La definición del mensurando es vital para obtener buenos resultados de la medición. En no pocas ocasiones se mide algo distinto al propósito original.
La especificación de un mensurando requiere el conocimiento de la naturaleza de la magnitud y la descripción del estado del fenómeno, cuerpo o sustancia cuya magnitud es una propiedad, incluyendo las componentes pertinentes y las entidades químicas involucradas. La imperfección natural de la realización de las mediciones, hace imposible conocer con certeza absoluta el valor verdadero de una magnitud: Toda medición lleva implícita una incertidumbre, que de acuerdo al VIM, parámetro no negativo que caracteriza la dispersión de los valores atribuidos a un mensurando, a partir de la información que se utiliza. La incertidumbre de medición es un término utilizado internacionalmente para describir la calidad de la medición de un valor medido
La Incertidumbre es una medida cuantitativa de la calidad del resultado de medición, que permite que los resultados de medida sean comparados con otros resultados, referencias, especificaciones o normas.
Todas las mediciones están sujetas a error, por lo que el resultado de una medición difiere del valor verdadero del mensurando. Con tiempo y recursos, la mayoría de las fuentes de error en la medida pueden identificarse, y los errores de medición cuantificarse y corregirse, por ejemplo, mediante calibración. Sin embargo, nunca hay tiempo ni recursos suficientes para determinar y corregir completamente estos errores de medida.
La incertidumbre de medida puede determinarse de diferentes formas. El método más ampliamente utilizado y aceptado; por ejemplo, por los organismos de acreditación, es el "método GUM" recomendado por ISO, descrito en la "Guía para la Expresión de la Incertidumbre de Medida"
El resultado de una medición incluye la mejor estimación del valor del mensurando y una estimación de la incertidumbre sobre ese valor. La incertidumbre se compone de contribuciones de diversas fuentes, algunas de ellas descritas por las magnitudes de entrada respectivas. Algunas contribuciones son inevitables por la definición del propio mensurando, mientras otras pueden depender del principio de medición, del método y del procedimiento seleccionados para la medición. Por ejemplo, en la medición de la longitud de una barra, la temperatura es una magnitud de entrada que afecta directamente al mensurando por expansión o contracción térmica de la barra.
También pueden influir en el resultado de la medición, y por lo tanto en la incertidumbre, algunos atributos no cuantificables en cuyo caso es siempre recomendable reducir en lo posible sus efectos, preferentemente haciendo uso de criterios de aceptación en las actividades tendientes a reducir tales efectos. Por ejemplo, la alineación de la pieza respecto a los ejes de medición es un aspecto importante en la medición óptica para disminuir el error de coseno, lo cual obliga a observar estrictamente criterios alinear apropiadamente.
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