Introducción a los procesos de medición
Introducción
En las actividades de ingeniería es fundamental conocer adecuadamente las características de los elementos físicos con los que se trabaja y las condiciones del entorno en que se desarrollan las actividades.
Los conocimientos de medición y la capacidad de realizar prácticas correctas son necesarios para obtener lecturas confiables cuando se solicitan datos, inspecciones o revisiones de productos.
En los procesos industriales se relevan permanentemente las características dimensionales de los elementos producidos y las condiciones en que se realizan, mediante sistemas de control de productos y procesos.
Por lo tanto, los procesos de diseño, dimensionamiento, ensayo, producción, utilización, mantenimiento o reemplazo requieren conocimientos adecuados sobre los procesos de medición.
Magnitudes y unidades
El trabajo profesional en ingeniería implica analizar, evaluar y expresar cantidades de material, fuerzas naturales, hechos y fenómenos que forman parte de los hechos y objetos de la ingeniería.
Algunos parámetros que pueden medirse son:
- intensidad de corriente eléctrica;
- densidad de un material;
- temperatura del vapor que circula por un conducto;
- fuerza ejercida por una locomotora sobre las vías;
- vibraciones generadas por un equipo rotativo.
Objetos de la ingeniería
Son entidades de existencia física real caracterizadas por sus dimensiones.
Por ejemplo, una dimensión principal de una autopista o camino es su longitud, que puede expresarse utilizando el kilómetro como unidad de comparación.
Hechos de la ingeniería
También son entidades de existencia física real que deben medirse, pero no son objetos materiales o tangibles.
Por ejemplo:
- la temperatura del motor de un automóvil, medida en alguno de sus componentes y expresada en grados centígrados;
- el caudal de agua que pasa por las turbinas de una central hidroeléctrica, expresado en metros cúbicos por segundo.
Magnitud
Una magnitud es una propiedad física que puede ser medida, como la temperatura o el peso.
Unidad
Una unidad es una cantidad que se toma como medida o término de comparación de las demás de su especie.
Ejemplos:
- °C;
- kg;
- m.
Mediciones
Medir es realizar una comparación entre alguna característica física de un hecho u objeto y la unidad que la representa.
Para realizar esa comparación se utiliza un instrumento adecuado.
Instrumento
Un instrumento es un dispositivo empleado para determinar el valor de una cantidad o variable.
La Ley argentina 19.511 define al instrumento de medición como todo aparato, medio o elemento que sirva para contar o determinar valores de cualquier magnitud.
Como unidades de medida se utilizan objetos y sucesos previamente establecidos como estándares o patrones. De la medición resulta un número que representa la relación entre el objeto de estudio y la unidad de referencia.
Tipos de mediciones
Mediciones directas
Son aquellas que se obtienen directamente de la indicación de un aparato.
Ejemplos:
- tensión leída en un voltímetro;
- longitud leída en una cinta métrica.
Mediciones indirectas
Son aquellas en las que el valor de la incógnita se obtiene a partir de relaciones que deben cumplir una o más variables determinadas directa o indirectamente.
Ejemplo:
- medida de una resistencia aplicando el método del voltímetro y el amperímetro.
Mediciones y errores
Una vez obtenido el valor de una medición debe considerarse hasta qué punto se aproxima al valor verdadero.
En algunos casos puede existir un valor fácilmente determinable, como la cantidad de automóviles en un estacionamiento. En otros, puede no existir un valor único y exacto, como ocurre al medir el diámetro de un bulón.
Toda dimensión se mide utilizando un instrumento y mediante la intervención de un operador. Como ninguno de ellos puede ser absolutamente ideal y perfecto, ninguna medida en ingeniería es exacta en el sentido matemático de la palabra.
Errores sistemáticos
Los errores asociados al instrumento o al método utilizado se denominan errores sistemáticos.
Suelen conservar su tamaño y sentido. La porción del error que se repite en cada medición produce un corrimiento del promedio.
Si se conoce el error sistemático introducido por el sistema de medición, el resultado puede corregirse para obtener un valor más cercano al verdadero.
Errores accidentales o aleatorios
Son errores que se producen de manera no regular y varían aleatoriamente en cantidad y sentido.
Son difíciles de prever y pueden deberse a:
- condiciones del instrumento;
- condiciones del elemento que se mide;
- mal posicionamiento entre instrumento y objeto;
- lectura incorrecta o apresurada;
- errores propios del operador.
Error de paralaje
En instrumentos analógicos, si la mirada del operador no se encuentra en el plano perpendicular a la escala, la diferencia de altura entre la aguja y la escala puede producir un error de paralaje.
Valor más probable
Para minimizar los efectos de los errores se realiza una cantidad adecuada de mediciones utilizando el mismo instrumento y operador.
Se asigna como valor más probable de la variable medida a la media aritmética o promedio de las mediciones.
Calibración
La calibración es la verificación del comportamiento de un instrumento o sistema de medición comparándolo con una medida conocida con gran exactitud, denominada patrón.
La calibración permite conocer el funcionamiento del instrumento o sistema de medición y obtener una idea del rango de error con el que entrega sus medidas.
Incertidumbre
Como resultado de un proceso de medición se obtiene:
- un valor, tomando el promedio de las medidas como valor más probable;
- un rango de valores que indica la incertidumbre con la que debe interpretarse ese valor.
La incertidumbre considera los efectos de:
- los errores presentes en el sistema de medida;
- la calibración;
- la técnica de medición.
Los errores son propiedades de los instrumentos y sistemas de medición; la incertidumbre es una propiedad de la prueba.
El tratamiento matemático de los errores corresponde al estudio posterior de la Metrología.
Preparación de una medición
Realizar una medición es un proceso que debe garantizar confianza en el valor obtenido.
Antes de medir debe definirse:
Qué se va a medir
El hecho u objeto, la característica que se relevará y el uso que tendrá la medición.
Cómo se va a realizar la medición
Las condiciones y el sistema de medición.
Con qué elementos se realizará
El instrumental, sensores, información previa y demás elementos necesarios.
Quién realizará la medición
El operador debe estar adecuadamente preparado, tanto teórica como prácticamente, para:
- realizar correctamente la tarea;
- no afectar el objeto o hecho medido;
- interpretar adecuadamente las indicaciones del instrumental.
Exactitud y precisión
Exactitud
Medir con exactitud significa obtener una serie de datos experimentales cuyo valor se encuentra cercano al valor verdadero.
Precisión
Medir con precisión significa obtener una serie de datos experimentales cuyos valores son cercanos o parecidos entre sí, aunque no necesariamente sean iguales o cercanos al valor verdadero.
Los errores sistemáticos pueden desplazar el promedio de las mediciones respecto del valor verdadero, mientras que los errores aleatorios producen dispersión entre los valores medidos.
Por lo tanto, precisión y exactitud no significan lo mismo: una serie de mediciones puede presentar valores muy próximos entre sí y, sin embargo, encontrarse alejada del valor verdadero.
Mediciones e instrumentos
Para asegurar el adecuado funcionamiento de los instrumentos y permitir la comparación entre mediciones, la Ley 19.511 establece la verificación periódica y vigilancia de uso de los instrumentos de medición reglamentados utilizados en:
- transacciones comerciales;
- verificación del peso o medida de materiales o mercaderías;
- valoración o fiscalización de servicios;
- valoración o fiscalización del trabajo realizado por operarios;
- reparticiones públicas;
- actividades que por su importancia sean incluidas en la reglamentación.
Los fabricantes, importadores o representantes también deben someter los instrumentos reglamentados a la aprobación de modelo y a la verificación primitiva correspondiente.
Características de los instrumentos
Rango de indicación
Valores límites, inferior y superior, que mide el instrumento.
Intervalo de medición
Diferencia entre los límites del rango.
Valor de división
Diferencia entre los valores correspondientes a dos marcas sucesivas de la escala.
Sensibilidad
Relación entre la respuesta del instrumento y el cambio de la variable medida.
Resolución
Cambio más pequeño en el elemento medido al cual el instrumento puede responder correctamente.
Clasificación de instrumentos
Según su principio de funcionamiento y la forma en que presentan la información, los instrumentos se clasifican en dos grandes grupos:
- analógicos;
- digitales.
Instrumentos analógicos
Utilizan un elemento mecánico, como una aguja o puntero, para indicar sobre una escala determinada la magnitud medida.
La aguja se desplaza sobre la escala y el valor se obtiene según su posición.
La lectura puede ser:
- directa, cuando la aguja coincide con un valor de la escala;
- mediante interpolación, cuando queda ubicada entre valores cercanos.
Ventajas
- bajo costo;
- en algunos casos no requieren energía de alimentación;
- no requieren gran sofisticación;
- permiten visualizar fácilmente si un parámetro aumenta o disminuye;
- pueden adaptarse con facilidad a diferentes tipos de escalas no lineales.
Desventajas
- poca resolución, típicamente no proporcionan más de tres cifras;
- el error de paralaje limita la exactitud;
- pueden producirse errores importantes cuando existen varias escalas;
- baja rapidez de lectura, típicamente una lectura por segundo;
- no pueden utilizarse directamente como parte de un sistema digital de procesamiento de datos.
Instrumentos digitales
Presentan la magnitud medida mediante uno o más números de la escala decimal, denominados dígitos.
Generalmente no poseen partes móviles y utilizan sistemas electrónicos.
Suele diferenciarse la parte sensora de la parte encargada de presentar los datos. La información presentada puede incluir procesamiento o cálculos sobre la variable detectada, por lo que estos instrumentos suelen configurarse antes de realizar la medición.
Ventajas
- alta resolución;
- no están sujetos al error de paralaje;
- pueden eliminar errores por confusión de escalas;
- elevada rapidez de lectura;
- pueden entregar información digital para su procesamiento inmediato en una computadora.
Desventajas
- mayor costo respecto de los instrumentos analógicos;
- construcción más compleja;
- dificultad para introducir escalas no lineales;
- requieren una fuente de alimentación.
Uso de los instrumentos en Taller de Ingeniería
En Taller de Ingeniería se utiliza una variedad importante de instrumentos que deben manipularse, conservarse y guardar adecuadamente.
Los equipos se entregan generalmente dentro de un estuche numerado que puede contener:
- el instrumento;
- baterías o cableado;
- herramientas;
- patrones para calibración;
- manual de uso;
- certificado de garantía;
- certificado de calibración.
Al abrir el estuche deben verificarse sus elementos y, al finalizar la actividad, todo el contenido debe guardarse ordenadamente.
Cualquier faltante debe notificarse al docente.
Los elementos correspondientes a un estuche deben volver al mismo, ya que la documentación puede estar asociada específicamente al número de un instrumento y perder validez si se intercambia.
Aplicación en Taller de Ingeniería
Las actividades buscan familiarizar al estudiante con acciones habituales de la profesión, como medir y calcular.
Estas tareas pueden ser:
- de campo: realizadas en el lugar de la obra o intervención;
- de gabinete: realizadas en el estudio de ingeniería u oficina técnica.
Metodología de relevamiento
Para relevar un hecho u objeto se sigue, en términos generales, la siguiente metodología:
- Realizar un croquis a mano alzada del objeto que se medirá.
- Determinar en el croquis cada medida a relevar y asignarle una denominación.
- Realizar al menos tres determinaciones con cada instrumento.
- Confeccionar una tabla de valores para cada dimensión y registrar las mediciones realizadas.
- Calcular el valor más probable para cada dimensión relevada.
Relevar significa adquirir datos que permitan realizar una descripción adecuada de una situación, hecho u objeto.
Presentación de la información
La información destinada a uso posterior o a ser comunicada a terceros debe organizarse de manera que resulte comprensible.
La recolección de datos también debe realizarse mediante un esquema organizado que facilite su registro y utilización posterior.
Cada grupo debe definir antes de comenzar las actividades cómo realizará estos registros.
Debe confeccionarse una tabla o cuadro de resultados que contenga las medidas obtenidas y los resultados de los cálculos solicitados.
Informe de una actividad de medición
El informe grupal debe contener como mínimo:
- Introducción
- Metodología e instrumental
- tipo;
- marca;
- modelo;
- características.
- Croquis y tabla de relevamiento
- Cálculos y cuadro de resultados
- Conclusiones
En las conclusiones debe analizarse la actividad realizada y, a partir de los resultados obtenidos y del procedimiento utilizado para alcanzarlos, extraer las conclusiones correspondientes.