Instrumentación Electrónica 1: Sistema Internacional , Calibración y Formulas

CALIBRACIÓN

Proceso de calibración

Errores en los instrumentos de medida.

Al realizar una calibración de un instrumento podemos encontrarnos ante los siguientes tipos de error:

Error de cero: Corresponde al valor de las lecturas realizadas están desplazadas un mismo valor con respecto a la recta característica.
Error de multiplicación: Corresponde al valor de las lecturas aumentan o disminuyen progresivamente respecto a la característica según aumenta la variable de medida.
Error de angularidad: Las lecturas son correctas en el 0% y el 100% de la recta característica, desviándose en los restantes puntos.

Para llevar a cabo la calibración de un instrumento, se siguen los siguientes pasos:

Chequeo y Ajustes Preliminares:
- Observar el estado físico del equipo, desgaste de piezas, limpieza y respuesta del equipo.
- Determinar los errores de indicación del equipo comparado con un patrón adecuado —según el rango y la precisión—.
- Llevar ajustes de cero, multiplicación, angularidad y otros adicionales a los márgenes recomendados para el proceso o que permita su ajuste en ambas direcciones —no en extremos—. Luego se realizan encuadramientos preliminares, lo cual reduce al mínimo el error de angularidad.
Ajuste de cero:
- Colocar la variable en un valor bajo de cero a 10% del rango o en la primera división representativa a excepción de los equipos que tienen supresión de cero o cero vivo, para ello se simula la variable con un mecanismo adecuado, según rango y precisión lo mismo que un patrón adecuado.
- Si el instrumento que se está calibrando no indica el valor fijado anteriormente, se ajusta el mecanismo de cero.
- Si el equipo tiene ajustes adicionales con cero variable, con elevaciones o supresiones se hace después del punto anterior de ajuste de cero.
Ajuste de multiplicación:
- Colocar la variable en un valor alto del 70 al 100%.
- Si el instrumento no indica el valor fijado, se debe ajustar el mecanismo de multiplicación o span.
Repetir los dos últimos pasos hasta obtener la calibración correcta para los valores alto y bajo.
Ajuste de angularidad:
- Colocar la variable al 50% del span.
- Si el incremento no indica el valor del 50% ajustar el mecanismo de angularidad según el equipo.
Repetir los dos últimos pasos 4 y 5 hasta obtener la calibración correcta, en los tres puntos.

Medición de Resultados:

Como el patrón no permite medir el valor verdadero, también tiene un error, y como además en la operación de comparación intervienen diversas fuentes de error, no es posible caracterizar la medida por un único valor, lo que da lugar a la llamada incertidumbre de la medida o incertidumbre.

El resultado de cualquier medida es sólo una aproximación o estimación del verdadero valor de la cantidad sometida a medición —el mensurando—. De esta forma, la expresión del resultado de una medida es completa únicamente si va acompañado del valor de la incertidumbre asociada a dicha medida. La incertidumbre es por tanto una información numérica que complementa un resultado de medida, indicando la cuantía de la duda acerca de este resultado.

La incertidumbre de medida incluye generalmente varias componentes:

Tipo A: Aquellas que pueden estimarse a partir de cálculos estadísticos obtenidos de las muestras recogidas en el proceso de medida. En la mayor parte de los casos, la mejor estimación disponible del valor esperado de una magnitud Xi, de la cual se han obtenido n observaciones, bajo las mismas condiciones de medición, es la media aritmética de las n observaciones $\overline{X}$

La desviación estándar experimental (s) es un estimador de la dispersión de los valores alrededor del valor medio. $s=\sqrt{\frac{\sum_{i=1}^n (x_i-x)^2}{n-1} }$
La desviación típica experimental de la media es aún un mejor estimador de esta variabilidad. $s'=\frac{s}{\sqrt{n} }$
La incertidumbre asociada a esta estimación es: $u(Xi)=s'(x)$

Tipo B: Aquellas que únicamente están basadas en la experiencia o en otras informaciones. Este tipo de evaluación viene determinada por las contribuciones a la incertidumbre, estimadas mediante métodos no estadísticos, y que se caracterizan por unos términos $u^2(Xi)$ , que pueden ser consideradas como unas aproximaciones de las varianzas correspondientes.

Varianza estimada asociada. $u^2(Xi)$
Desviación típica estimada asociada. $u(Xi)$

Generalmente la calibración de un equipo de medida para procesos industriales consiste en comparar la salida del equipo frente a la salida de un patrón de exactitud conocida cuando la misma entrada —magnitud medida— es aplicada a ambos instrumentos. Todo procedimiento de calibración se puede considerar como un proceso de medida del error que comete un equipo.

Formulas a Tener en Cuenta:

Calibración: Dada por el certificado de calibración. $u_{cal}=\frac{U_{Cal} }{k_{Cal} }$
Deriva: Variación de la medida a lo largo del tiempo. $u_{deriva}=\frac{[C_n-C_{n-1}]_{max} }{\sqrt3}$
Temperatura: Debida a la influencia de la temperatura. $u_{temperatura}=\frac{Temperatura_{max} }{\sqrt3}$
Resolución: Mínima variación perceptible. $u_{resoluci\acute on}=\frac{Resoluci\acute on}{\sqrt3}$
Inestabilidad: Inestabilidad de la fuente de medida o equipo. $u_{inestabilidad}=\frac{[a_{max}-a_{min}]/2}{\sqrt3}$
Método: Debida al método de medida, posible método de medida indirecta de la magnitud a medir. $u_{m\acute e todo}=\frac{L\acute imite\ m\acute aximo}{\sqrt{3} }$
Repetibilidad: Debida a las medidas realizadas por un mismo instrumento en distintas condiciones. $u_{repetitibidad}=\frac{s}{\sqrt3} \qquad s=\sqrt{\frac{\sum_{i=1}{n}(x_i-x)^2}{n-1} }$
Operador: Debidos a equipos de medida analógicas especialmente, por lo que se aconseja hacer coincidir las medidas con las divisiones de la escala. $u_{operador}=\frac{\frac{division}{\frac{n}{2} } }{\sqrt3}$
Reproducibilidad: Debida a las medidas realizadas por distintos instrumentos en distintas condiciones. $u_{reproductibilidad}=\frac{s}{\sqrt3} \qquad s=\sqrt{\frac{\sum_{i=1}^n(x_i-x)^2}{n-1} }$

Sistema Internacional de Unidades

El Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI, del francés: Le Système International d'Unités), también denominado Sistema Internacional de Medidas, es el nombre que recibe el sistema de unidades que se usa en casi todos los países.

Es el heredero del antiguo Sistema Métrico Decimal y es por ello por lo que también se lo conoce como «sistema métrico», especialmente en las personas de más edad y en pocas naciones donde aún no se ha implantado para uso cotidiano.

Se instauró en 1960, a partir de la Conferencia General de Pesos y Medidas, durante la cual inicialmente se reconocieron seis unidades físicas básicas. En 1971 se añadió la séptima unidad básica: el mol.

Una de las características trascendentales, que constituye la gran ventaja del Sistema Internacional, es que sus unidades se basan en fenómenos físicos fundamentales. Excepción única es la unidad de la magnitud masa, el kilogramo, definida como «la masa del prototipo internacional del kilogramo», un cilindro de platino e iridio almacenado en una caja fuerte de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas.

Las unidades del SI constituyen referencia internacional de las indicaciones de los instrumentos de medición, a las cuales están referidas mediante una concatenación interrumpida de calibraciones o comparaciones.

Esto permite lograr equivalencia de las medidas realizadas con instrumentos similares, utilizados y calibrados en lugares distantes y, por ende, asegurar -sin necesidad de duplicación de ensayos y mediciones- el cumplimiento de las características de los productos que son objeto de transacciones en el comercio internacional, su intercambiabilidad.

Entre los años 2006 y 2009 el SI se unificó con la norma ISO 31 para instaurar el Sistema Internacional de Magnitudes (ISO/IEC 80000, con las siglas ISQ).

Unidades básicas

Artículo principal: Unidades básicas del SI.

El Sistema Internacional de Unidades consta de siete unidades básicas. Son las que se utilizan para expresar las magnitudes físicas consideradas básicas a partir de las cuales se determinan las demás:¹

Magnitud física básica	Símbolo dimensional	Unidad básica	Símbolo de la unidad	Observaciones
Longitud	L	metro	m	Se define fijando el valor de la velocidad de la luz en el vacío.
Tiempo	t	segundo	s	Se define fijando el valor de la frecuencia de la transición hiperfina del átomo de cesio.
Masa	m	kilogramo	kg	Es la masa del «cilindro patrón» custodiado en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, en Sèvres, Francia. Equivale a la masa que ocupa un litro de agua pura a 14'5 °C o 286'75 K.
Intensidad de corriente eléctrica	I	amperio	A	Se define fijando el valor de constante magnética.
Temperatura	T	kelvin	K	Se define fijando el valor de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.
Cantidad de sustancia	N	mol	mol	Se define fijando el valor de la masa molar del átomo de ¹²C a 12 gramos/mol. Véase también número de Avogadro.
Intensidad luminosa	J	candela	cd	Véanse también conceptos relacionados: lumen, lux e iluminación física.

De las unidades básicas existen múltiplos y submúltiplos, que se expresan mediante prefijos. Así, por ejemplo, la expresión «kilo» indica ‘mil’. Por lo tanto, 1 km equivale a 1000 m, del mismo modo que «mili» significa ‘milésima’ (parte de). Por ejemplo, 1 mA es 0,001 A.

Equivalencia

Metro (m). Unidad de longitud.

Definición: un metro es la longitud que en el vacío recorre la luz durante un 1/299 792 458 de segundo.

kilogramo (kg). Unidad de masa.

Definición: un kilogramo es una masa igual a la de un cilindro de 39 milímetros de diámetro y de altura, de una aleación de 90% de platino y 10% de iridio, ubicado en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, en Sèvres, Francia.

Segundo (s). Unidad de tiempo.

Definición: un segundo es la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133.

Amperio (A). Unidad de intensidad de corriente eléctrica.

Definición: un amperio es la intensidad de una corriente constante que manteniéndose 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 newtons por metro de longitud.

Kelvin (K). Unidad de temperatura termodinámica.

Definición: un kelvin es la temperatura termodinámica correspondiente a 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

Mol (mol). Unidad de cantidad de sustancia.

Definición: Es la cantidad de materia que hay en tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kg. del isótopo carbono 12. Si se emplea el mol, es necesario especificar las unidades elementales: átomos,moléculas, iones, electrones u otras partículas o grupos específicos de tales partículas.

Candela (cd). Unidad de intensidad luminosa.

Definición: una candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 5,4 • 10¹⁴ hercios y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 vatios por estereorradián.

Unidades derivadas

Artículo principal: Unidades derivadas del SI.

Mediante esta denominación se hace referencia a las unidades utilizadas para expresar magnitudes físicas que son resultado de combinar magnitudes físicas básicas.

No se debe confundir este concepto con los de múltiplos y submúltiplos, que se utilizan tanto en las unidades básicas como en las derivadas, sino que siempre se le ha de relacionar con las magnitudes expresadas.

Si éstas son longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente eléctrica, temperatura, cantidad de substancia o intensidad luminosa, se trata de una magnitud básica. Todas las demás son derivadas.

Ejemplos de unidades derivadas

Unidad de volumen o metro cúbico, resultado de combinar tres veces la longitud.
Unidad de densidad o cantidad de masa por unidad de volumen, resultado de combinar masa (magnitud básica) con volumen (magnitud derivada). Se expresa en kilogramo por metro cúbico. Carece de nombre especial.
Unidad de fuerza, magnitud que se define a partir de la segunda ley de Newton (fuerza = masa × aceleración). La masa es una de las magnitudes básicas; la aceleración es derivada. Por tanto, la unidad resultante (kg • m • s^-2) es derivada, de nombre especial: newton.²

Unidad de energía. Es la energía necesaria para mover un objeto una distancia de un metro aplicándole una fuerza de un newton; es decir, fuerza por distancia. Se le denomina julio (unidad) (en inglés, joule). Su símbolo es J. Por tanto, J = N • m.

En cualquier caso, mediante las ecuaciones dimensionales correspondientes, siempre es posible relacionar unidades derivadas con básicas.