Fundamentos de medición y metrología

8/18/2019 Fundamentos de medición y metrología

1/12

Reseña

histórica

del

sistema

internacional

22 de junio de 1799 en plena Revolución Francesa se declaran dos estándares: el metro y el

kilogramo.

En 1832, Gauss promovió fuertemente el Sistema Métrico, junto con la definición delsegundo en astronomía.

Gauss fue el primero en hacer medidas absolutas de la fuerza magnética de la tierra, en

términos de un sistema decimal basado en las tres unidades mecánicas: milímetro, gramo y

segundo; usadas respectivamente para las cantidades longitud, masa y tiempo.

En los últimos años, Gauss y Weber extendieron esas mediciones para incluir fenómenos

eléctricos.

Esas aplicaciones en el campo de la electricidad y el magnetismo fueron además desarrolladas

en los años 1860 bajo el activo liderazgo de Maxwell y Thomson a través de la Asociación

Británica para el Avance de la Ciencia (BAAS: British Association for the Advancement of

Science).

En 1874 la BAAS introdujo el sistema CGS, un sistema basado en las tres unidades mecánicas:

centímetro, gramo y segundo, usando un rango de prefijos desde micro hasta mega para

expresar múltiplos y submúltiplos decimales.

Prefijos del sistema internacional


2/12

(IEC: International Electrotechnical Commission), aprobaron un conjunto de unidades

practicas. Entre ellas el ohm para la resistencia eléctrica, el volt para la fuerza electromotriz y

el ampere para la corriente eléctrica.

En 1901 Giovanni Giorgio mostró que es posible combinar las unidades mecánicas de este

sistema metro‐kilogramo‐segundo con las unidades prácticas eléctricas para formar un

sencillo Sistema agregando a las tres unidades básicas una cuarta unidad (el ohm) de

Naturaleza eléctrica.

En 1954 se introduce del ampere (sustituye al ohm), el kelvin y la candela como unidades

básicas respectivamente.

Nace el nombre de Sistema Internacional de Unidades (SI: Le Systeme International d'Unites).

En 1971 la versión actual del SI fue completada con el agregado del mole como unidad básica

para la cantidad de sustancia, llevando el número total de unidades básicas a siete.

1). Metro (m). Unidad de longitud.

o Patrón de referencia: Un metro es la longitud de trayecto recorrido en el vacío por la luz

durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo.

2). Kilogramo (Kg.). Unidad de masa.

o Patrón de referencia: Un kilogramo es una masa igual a la almacenada en un

prototipo internacional, compuesto de una aleación de platino e iridio, que se guarda en

la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) en Sèvres, cerca de París (Francia).

3). Segundo (s). Unidad de tiempo.

o Patrón de referencia: El segundo es la duración de 9 192 631 770 periodos de la

radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles híper finos del estado

fundamental del átomo de cesio 133.

4). Ampere o amperio (A). Unidad de intensidad de corriente eléctrica.

o

Patrón de referencia: Un amperio es la intensidad de una corriente constante quemanteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección

circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío,

produciría una fuerza igual a 2•10‐7 newton por metro de longitud.

5). Kelvin (K). Unidad de temperatura termodinámica.

o Patrón de referencia: un kelvin es la temperatura termodinámica correspondiente a la

fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

6). Mol (mol). Unidad de cantidad de sustancia.

o Patrón de referencia: Un mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene

tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12.

Cuando se emplea el mol, es necesario especificar las unidades elementales, que puedenser átomos, moléculas, iones, electrones u otras partículas o grupos especificados de

tales partículas.

7). Candela (cd). Unidad de intensidad luminosa.

o Patrón de referencia: Una candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de

una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540•1012 hercios y

cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 vatios por estereorradián.


3/12

Unidades derivadas en SI con nombres especiales


4/12

METROLOGÍA

La metrología (del griego μετρoν, medida y λoγoς, tratado) es la ciencia de la medida.

Tiene por objetivo el estudio de los sistemas de medida en cualquier campo de la ciencia. También

tiene como objetivo indirecto que se cumpla con la calidad. Y tiene dos características muy

importantes el resultado de la medición y la incertidumbre de medida.

Los físicos y la industria utilizan una gran variedad de instrumentos para llevar a cabo sus

mediciones. Desde objetos sencillos como reglas y cronómetros, hasta potentes microscopios,

medidores de láser e incluso aceleradores de partículas.

La metrología permite asegurar la comparabilidad internacional de las mediciones y por tanto la

intercambiabilidad de los productos a nivel internacional.

MEDIR Es el acto de determinar el valor de una magnitud.

Es comparar una medida determinada con otra que tomamos como unidad.

MAGNITUD Atributo de un fenómeno, cuerpo o sustancia que es susceptible de ser diferenciado

cualitativamente y determinado cuantitativamente.

El termino magnitud puede referirse a una magnitud en particular. Algunos ejemplos de

magnitudes en sentido general son: longitud, tiempo, velocidad, masa y temperatura entre otras.

Para las magnitudes particulares se tienen por ejemplo: presión arterial de una persona, la

resistencia eléctrica de 100m de un alambre de cobre de numero 12, la energía disipada por una

resistencia de 1K y la densidad de flujo luminoso emitido por una lámpara de 100W.

UNIDAD DE MEDIDA Una unidad de medida es la magnitud particular, definida y adoptada por convención, con la cual

se comparan otras magnitudes de la misma naturaleza para expresar cuantitativamente su

relación con esta magnitud. Las unidades de medida se escriben con letras minúsculas y se

representan mediante símbolos.

MÉTODOS DE MEDICIÓN Existen diferentes métodos de medición, cada uno de ellos utiliza una amplia Gama de técnicas y

enfoques, para la selección de algún tipo de método de medición se debe de considerar al menoslos siguientes factores:

Exactitud requerida,

Costo,

Tiempo,

Conveniencia, y


5/12

Disponibilidad de equipos.

Los métodos de medición los podemos clasificar de la siguiente manera:

Método de medición directa,

Método de medición indirecta,

Método de medición por sustitución (transferencia),

Método de medición diferencial,

Método de medición por nulo o cero,

Método de medición por relación.

A continuación se describen brevemente, los métodos de medición más comunes, utilizados en

metrología técnica e industrial:

Método de medición directa. En este método se obtiene un valor en unidades de la magnitud desconocida, mediante un

instrumento, cadena o sistema de medición, digital o analógico, en forma de: indicador,

registrador, totalizador ó integrador. El sensor del instrumento es colocado directamente en

contacto con el fenómeno que se mide. Ejemplos:

a) Medición de volumen y densidad en base al principio de Arquímedes (Fig. 1 a),

a) b)

Figura 1 Medición de volumen a) método directo, b) método indirecto

b)

Medición de presión, en un manómetro secundario con indicación digital o analógica.


6/12

Medición indirecta En este método se obtiene el valor de la magnitud desconocida mediante: transformación,

conversión o cálculo de: Indicaciones, señales de medición, magnitudes de influencia o mediciones

de las variables de entrada (independientes). Ejemplos:

a)

Medición de volumen, en base a principios geométricos de Euclides (Fig. 1b),b) Medición de presión, en una balanza de pesos muertos,

c) Medición de flujo en base a: constantes dimensionales (placa de orificio), diferencial por caída

de presión, presión estática y temperatura del fluido.

Medición por sustitución Este método utiliza un equipo auxiliar, llamado comparador o de transferencia, con el que se mide

inicialmente la magnitud desconocida y luego una magnitud de referencia (patrón). Este método

también es conocido como método de medición por transferencia.

Ejemplo:

Medición de la masa de una muestra o producto con pesas a través de una balanza analítica

(Fig. 2).

Figura 2 Medición de masa por sustitución.

Medición diferencial La medición es la diferencia entre una magnitud de valor conocido (referencia) y una magnitud de

valor desconocido. Este método es más exacto y proporciona mejor resolución que el obtenido en

la medición directa.

Ejemplos:

a) El valor de la fuente bajo prueba Vtest va ser igual a la suma algebraica del valor de referencia

+10 V y la Indicación del vóltmetro (Vtest = 10,000 0 V + 26,3 mV = 10,026 3 V ) (Fig. 3),

Figura 3 Medición diferencial de tensión

b)

Calibración de bloques patrón mediante un comparador de bloques patrón.


7/12

Medición por nulo o cero Este método utiliza un detector de nulos o equilibrio (comparador), el cual permite comprobar

la igualdad (diferencia cero) entre la magnitud desconocida y una magnitud de referencia

(patrón).

Ejemplo

Medición de masa de una muestra o producto en una balanza de dos platillos (Fig. 4).

Figura 4 Medición de masa por nulo o cero


8/12

ERRORES

Los errores se pueden expresar de dos maneras:

Error absoluto

Error relativo

Error absoluto Se expresa como la diferencia entre el valor de la medida y el valor tomado como exacto. Puede

ser positivo o negativo, según si la medida es superior al valor real o inferior (la resta sale positiva

o negativa). Tiene unidades, las mismas que las de la medida.

Error relativo Se expresa como el cociente (la división) entre el error absoluto y el valor exacto. Si se multiplica

por 100 se obtiene el tanto por ciento (%) de error. Al igual que el error absoluto puede ser

positivo o negativo (según lo sea el error absoluto) porque puede ser por exceso o por defecto. No

tiene unidades.

Clasificación de Errores Sistemáticos Se les llama errores sistemáticos en razón de que su característica es que se repiten exactamente y

en el mismo sentido, para todas las mediciones que se hagan en iguales condiciones, de tal

manera que las causas perturbadoras que conducen muchas veces a estos errores, pueden ser

expresadas en fórmulas matemáticas. Estos errores pueden ser originados por las características

del aparato o la actitud del observador. Entre los más frecuentes se pueden destacar los

siguientes:

Instrumentales

Metodológicos

Ambientales

Humanos

Instrumentales Son los causados por el desgaste de las piezas del aparato, o bien por el desgaste de la pila o

batería que alimenta dicho aparato.

Metodológicos Son los causados por utilizar un método inadecuado para realizar la medida, como por ejemplo la

colocación de los aparatos de medida cuando se utiliza el método indirecto, ya que éstos tienenconsumo (efecto de carga) y pueden falsear el resultado obtenido.

Ambientales Son los causados como resultado de la influencia de las condiciones físicas del entorno:

temperatura, presión, humedad, campos magnéticos, etcétera.


9/12

Humanos Son los que dependen de la pericia o habilidad del operador al realizar la medida; por ejemplo, la

colocación de éste en la lectura.

Entre todos los errores que se pueden cometer al realizar una medida con un instrumento de

indicador de aguja, se encuentran los causados por el operario que la realiza. Se suelen cometercon frecuencia, pero son fáciles de eliminar siendo metódicos.

Estos son:

Errores de ajuste a cero o calibración inicial: Se dan cuando al iniciar la medida no hemos

prestado la suficiente atención a la posición del índice (aguja indicadora). Antes de medir,

es conveniente calibrar con el tornillo de ajuste a cero (si el aparato cuenta con uno).

Error de paralaje: Ocurre cuando el operario no encara de forma perpendicular la escala

del aparato. Se corrige haciendo coincidir la aguja con su proyección sobre la escala.

Algunos aparatos suelen incorporar un espejo sobre la escala para facilitar esta tarea.


10/12

TIPOS DE APARATOS DE MEDICIÓN

INSTRUMENTO DE MEDICIÓN ANALÓGICOS Los instrumentos analógicos se basan principalmente en un galvanómetro, un resorte de alambre

el cual varia de forma dependiendo de la corriente que circula a través de él, esta variación indica

el parámetro medido y se muestra la variación en la carátula del instrumento.

INSTRUMENTO DE MEDICIÓN DIGITALES La mayoría de los instrumentos de medición actuales son digitales. La señal entra al instrumento

de medición a través de la puntas de prueba, esta señal pasa por un amplificador el cual lo adecua

incrementándolo o reduciéndolo lo suficiente para el CAD. El decodificador toma esta señal y la

modifica para ser mostrada en el Display.

CONCEPTOS BÁSICOS USADOS EN INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

En los instrumentos de medición, hay algunos conceptos que debemos dominar: Escala, Campo demedida, Campo de lectura y Constante de medida.

ESCALA Es la zona graduada de la pantalla del instrumento de medición analógico. Sobre esta se desplaza

el índice para indicarnos el valor de la medida. Debido a la constitución interna del aparato,

obtenemos distintas distribuciones en las divisiones de la escala, estas pueden ser:

Uniforme: todas las divisiones son iguales a lo largo de la escala

Cuadráticas: las divisiones se ensanchan sobre el final de la escala siguiendo una función

parabólica.

Ensanchadas: las divisiones son distintas al principio y al final de la escala sin seguir una

función predeterminada. La escala depende de las características propias del instrumento.

Logarítmicas: las divisiones son menores al final de la escala siguiendo una función

logarítmica.


11/12

CAMPO DE MEDIDA También llamado “capacidad” o “calibre” del aparato, es la máxima medida que se puede realizar

con un determinado instrumento. Los instrumentos de medición pueden llevar diferentes campos

para una misma magnitud, según las condiciones de conexión.

CONSTANTE DE MEDIDA Las escalas no suelen tener una división por cada unidad de la magnitud que se está midiendo; por

este motivo, en la mayoría de los casos, cada división representa varias unidades de medida, de

manera que para obtener el valor real es necesario multiplicar el número de divisiones por la

constante correspondiente. Dicha constante debe depender del tipo de escala.

Donde:

K = Constante de medida

VM = Valor máximo actual

Nt = Número total de divisiones


12/12

CONCEPTOS

BÁSICOS

DE

MEDICIÓN

PRECISIÓN Precisión se refiere a la dispersión del conjunto de valores obtenidos de mediciones repetidas de

una magnitud. Cuanto menor es la dispersión mayor la precisión. Una medida común de la

variabilidad es la desviación estándar de las mediciones y la precisión se puede estimar como una

función de ella.

EXACTITUD Exactitud se refiere a cuán cerca del valor real se encuentra el valor medido. En términos

estadísticos, la exactitud está relacionada con el sesgo de una estimación. Cuanto menor es el

sesgo más exacta es una estimación.

RESOLUCIÓN

La resolución es el significado del dígito menos significativo (LSD). Por ejemplo, el rango de unmedidor de capacitancia podría darse como 199pf, con una resolución de 0.1pf. El rango del

medidor sería de 000.0 a 199.9pf, y se le referirá como un medidor de 3½ dígitos (El ½ indica que

el dígito más significativo (MSD) sólo puede ser un 0 o 1). Un ¾ (esto es, un medidor 3¾) indicaría

que el dígito más significativo sólo puede ser 0, 1, 2 o 3.

SENSIBILIDAD La sensibilidad es el cambio incremental más pequeño que puede detectar el instrumento de

medición. La sensibilidad también puede expresarse como la relación de cambio incremental en la

salida para un cambio incremental en la entrada. Otra definición sería, el cambio mínimo en la

entrada que provocará un cambio en la salida. La sensibilidad está relacionada con los efectos dehistéresis sea esta natural o parte del diseño del instrumento. Algunos instrumentos tienen

suficiente histéresis como para indicar distintos valores de la salida al mismo valor de entrada,

dependiendo de la dirección con la cual se llegó al valor de entrada. La segunda ley de la

termodinámica niega la reversibilidad perfecta y, por lo tanto, todos los instrumentos tienen cierto

grado de histéresis. Comúnmente la sensibilidad se expresa como un porcentaje de la salida a

escala completa.

Fundamentos de medición y metrología

Documents

Transcript of Fundamentos de medición y metrología