Errores en las mediciones

 

 ERRORES EN LAS MEDICIONES

Al realizar mediciones físicas, es importante tener en cuenta que los valores obtenidos no son completamente precisos, ya que están asociados con una cierta incertidumbre. Para analizar los datos de medición, es necesario comprender la naturaleza de los errores involucrados en el proceso.

Por lo tanto, es fundamental investigar las causas o fuentes de estos errores en los sistemas de medición y encontrar formas de eliminarlos. Se han identificado dos categorías principales de errores en la medición: errores sistemáticos y errores aleatorios.

1.7.1 Errores Sistemáticos o Controlables

Un error sistemático es aquel que se desvía en una cantidad fija del valor real de la medición. Estos errores son controlables tanto en su magnitud como en su dirección, y pueden evaluarse y minimizarse mediante un análisis adecuado. Para identificarlos, es esencial conocer todas sus fuentes. Si la suma algebraica de estos errores es significativa en comparación con la tolerancia de fabricación, se debe proporcionar una compensación en el tamaño medido de la pieza de trabajo.

Ejemplos de estos errores incluyen la medición de longitud con una regla mal calibrada o la medición de corriente con un amperímetro desajustado. Cuando los errores sistemáticos son mínimos, la medición se considera extremadamente precisa. Sin embargo, estos errores son difíciles de identificar y no pueden eliminarse simplemente aumentando el número de mediciones y promediándolas. Son inexactitudes reproducibles que siempre ocurren en la misma dirección. Minimizar los errores sistemáticos mejora la precisión de la medición.

Las principales causas de los errores sistemáticos son:

1. Errores de calibración
2. Condiciones ambientales
3. Deformación de la pieza de trabajo
4. Errores evitables

Errores de Calibración

Los estándares de longitud, como los bloques patrón y las escalas grabadas, pueden presentar pequeñas variaciones respecto al valor nominal. La inercia del instrumento y los efectos de histéresis pueden impedir que el instrumento registre fielmente los valores. La histéresis se define como la diferencia entre las indicaciones del instrumento cuando se mide en orden ascendente y descendente. Estas variaciones pueden minimizarse mediante curvas de calibración. La falta de amplificación adecuada en el instrumento también afecta la precisión.

Condiciones Ambientales

Es esencial mantener las condiciones ambientales dentro de valores estándar internacionalmente aceptados, como una temperatura de 20 °C y una presión de 760 mmHg. Una diferencia de 10 mmHg puede causar errores en la medición del componente.

La condición ambiental más significativa que afecta la precisión de la medición es la temperatura. Un aumento de 1 °C puede provocar una expansión de 0.3 μm en el acero C25, lo que es considerable en mediciones de precisión. Para obtener resultados sin errores, es necesario aplicar un factor de corrección por temperatura. En el caso de las mediciones con galgas extensométricas, se utiliza compensación térmica para mejorar la precisión.

Otros factores ambientales que afectan la medición incluyen la humedad relativa, los gradientes térmicos, las vibraciones y el contenido de CO₂ en el aire, ya que estos pueden modificar el índice de refracción de la atmósfera. La expansión térmica también puede ser causada por fuentes de calor como luces, la luz solar y la temperatura corporal del operador.

Deformación de la Pieza de Trabajo

La magnitud de la deformación depende de la carga aplicada, el área de contacto y las propiedades mecánicas del material de la pieza. Por lo tanto, en mediciones comparativas, es crucial asegurar que las cargas aplicadas sean las mismas en todas las mediciones.

Errores Evitables

Estos incluyen:

• Errores de referencia (datum errors): Son la diferencia entre el valor real de la cantidad medida y el valor indicado por el instrumento. Se presentan cuando el instrumento no está correctamente ajustado o calibrado.

• Errores de lectura: Se producen cuando el observador comete errores al anotar los valores medidos. Los dispositivos de lectura digital ayudan a minimizar estos errores.

• Errores por efecto de paralaje: Ocurren cuando la vista del observador no es perpendicular a la escala del instrumento o cuando se observa desde un ángulo incorrecto. Los instrumentos con escala y puntero suelen estar sujetos a este tipo de error. La presencia de un espejo detrás del puntero ayuda a eliminar este error.

• Errores por desalineación: Se deben a inexactitudes inherentes en los instrumentos de medición, así como a un uso o manipulación inadecuada. Por ejemplo, el desgaste en las caras de los micrómetros o la falta de perpendicularidad en los contactos pueden generar errores en la medición. Si la alineación no es correcta, pueden introducirse errores adicionales debido a efectos trigonométricos como los errores de seno y coseno.

• Errores de cero: Cuando el instrumento no está midiendo nada, su lectura debe ser cero. Un error de cero ocurre cuando el instrumento muestra un valor distinto de cero en ausencia de medición. Por ejemplo, un voltímetro puede indicar 1 V incluso cuando no está sometido a ninguna influencia electromagnética, lo que significa que todas las mediciones posteriores estarán desplazadas en 1 V. Este tipo de error es constante en todas las mediciones realizadas con el mismo instrumento.

Por lo tanto, para detectar y eliminar los errores sistemáticos, es necesario calibrar el instrumento de medición antes de realizar un experimento. La calibración permite identificar la presencia de errores sistemáticos en el instrumento y corregirlos.

1.7.2 Errores Aleatorios

Los errores aleatorios representan las desviaciones al azar que ocurren cuando se realizan mediciones repetidas de una magnitud física. Al medir un componente varias veces bajo condiciones similares, los valores obtenidos pueden variar. Las causas específicas de estas variaciones no pueden determinarse con exactitud, ya que son impredecibles e incontrolables por el experimentador y tienen una naturaleza aleatoria. Su magnitud es variable y pueden ser tanto positivos como negativos.

Cuando se representan gráficamente estas mediciones repetidas, los valores siguen una distribución normal o de Gauss. Los errores aleatorios pueden evaluarse estadísticamente, determinando su valor medio y su desviación estándar. Estos errores se dispersan alrededor de un valor medio.

Los errores aleatorios pueden minimizarse calculando el promedio de un gran número de observaciones. Dado que la precisión está estrechamente relacionada con la repetibilidad del proceso de medición, un instrumento preciso tendrá muy pocos errores aleatorios y mostrará mejor repetibilidad. Por lo tanto, los errores aleatorios limitan la precisión del instrumento.

Las posibles fuentes de errores aleatorios incluyen:

1. Presencia de fluctuaciones transitorias en la fricción del instrumento de medición
2. Holgura en los mecanismos de enlace de los instrumentos de medición
3. Error en el juicio del operador al leer la parte fraccionaria de las divisiones de la escala grabada
4. Incapacidad del operador para registrar correctamente las lecturas debido a fluctuaciones durante la medición
5. Errores posicionales asociados con el objeto medido y el estándar, causados por pequeñas variaciones en la configuración

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Comparación entre errores sistemáticos y errores aleatorios