Capítulo 1:
• comprender la importancia de la metrología
• apreciar la importancia de la inspección
• apreciar los conceptos de precisión y exactitud
• explicar los objetivos de la metrología y las mediciones
• entender los conceptos generales de medición
• elucidar las diferentes fuentes y tipos de errores
• comparar los diferentes tipos de mediciones
1.1 Introducción
La importancia de la metrología como disciplina científica cobró impulso durante la revolución industrial. El continuo avance tecnológico requirió aún más refinamiento en este segmento. La metrología se practica casi todos los días, a menudo sin saberlo, en nuestras tareas cotidianas. La medición está estrechamente relacionada con todas las actividades relacionadas con los aspectos científicos, industriales, comerciales y humanos. Su papel es cada vez más importante y abarca diferentes campos como las comunicaciones, la energía, las ciencias médicas, las ciencias de los alimentos, el medio ambiente, el comercio, el transporte y las aplicaciones militares. La metrología se ocupa del estudio de las mediciones. Es de suma importancia medir diferentes tipos de parámetros o variables físicas y cuantificar cada uno de ellos con una unidad específica. Por lo tanto, la medición es un acto de asignar un valor preciso y exacto a una variable física. La variable física se transforma en una variable medida. Las mediciones significativas requieren estándares de medición comunes y deben realizarse utilizando estos estándares. Los métodos comunes de medición se basan en el desarrollo de estándares de especificación internacionales. Estos proporcionan definiciones apropiadas de parámetros y protocolos que permiten realizar mediciones estándar y establecen una base común para comparar los valores medidos. Además, la metrología también se preocupa por la reproducción, conservación y transferencia de unidades de medida y sus estándares. Las mediciones proporcionan una base para evaluar la información del proceso, la garantía de calidad y el control del proceso.
El diseño es uno de los aspectos principales de todas las ramas de la ingeniería. Un producto/sistema que comprende de varios elementos debe ser diseñado adecuadamente para realizar la función requerida (deseada). Para comprobar si el funcionamiento de los elementos que constituyen el producto/sistema cumple con la expectativa de diseño, y para finalmente evaluar el funcionamiento del sistema completo, son inevitables las mediciones. Otro aspecto asociado es proporcionar la operación y mantenimiento adecuados de dicho producto/sistema. La medición es una importante fuente de información sobre estos aspectos de la ingeniería. Sin mediciones, la funcionalidad o análisis del producto/sistema sería muy poco eficaz o imposible.
Por lo tanto, se requieren mediciones para evaluar el rendimiento de un producto/sistema, realizar análisis para determinar la respuesta a una función de entrada específica, estudiar algún principio fundamental o ley de la naturaleza, etc. Las mediciones contribuyen en gran medida al diseño de un producto o proceso para que funcione con la máxima eficiencia, al menor costo y con la mantenibilidad y confiabilidad deseadas.
La metrología ayuda a extraer información de alta calidad sobre la finalización de productos, las condiciones de trabajo y el estado de los procesos en un entorno operativo e industrial. Una alta calidad del producto, junto con su efectividad y productividad, es esencial para sobrevivir económicamente en este mercado global competitivo. La tarea de lograr una precisión en la producción industrial moderna ha adquirido mucha importancia debido a las demandas constantemente crecientes sobre la calidad de las piezas producidas. Para lograr una alta calidad del producto, la metrología debe estar firmemente integrada en la actividad de producción. Por lo tanto, la metrología forma un elemento clave inseparable en el proceso de fabricación. Esto requiere un enfoque en los gastos adicionales causados a lo largo de todo el proceso de fabricación, debido a la competencia mundial. La calidad de los productos influye en varios atributos de producción, como la continuidad, el volumen y los costos de producción, la productividad, la confiabilidad y la eficiencia de estos productos con respecto a su aplicación o consumo de manera diversa. Por lo tanto, es deseable utilizar los recursos de manera óptima y esforzarse por lograr una reducción de costos en la fabricación.
**************
1.2 Metrología
La metrología literalmente significa la ciencia de la medición. En aplicaciones prácticas, es la implementación, verificación y validación de normas predefinidas. Aunque la metrología, para propósitos de ingeniería, está limitada a mediciones de longitud, ángulos y otras cantidades y están expresadas en términos lineales y angulares, en un sentido más amplio, también se ocupa de la inspección industrial y sus diferentes técnicas. La metrología también se ocupa de establecer las unidades de medidas y su reproducción en la forma de standards, comprobando la uniformidad de las mediciones, desarrollando métodos de medición, analizando la exactitud de los métodos de medición, estableciendo la incertidumbre de medición e investigando las causas de los errores de medición y subsecuentemente eliminándolos.
La palabra metrología deriva del griego. En las formas más tempranas de la metrología, las normalizaciones usadas eran arbitrarias o subjetivas, las cuales eran elaboradas por las autoridades regionales o locales, isualmente basadas en medidas prácticas como la longitud de un brazo.
Es pertinente mencionar aquí la frase clásica hecha por Lord Kelvin (1824-1907), un científico eminente, destacando la importancia de la metrología: "Cuando se puede medir algo de lo que se está hablando y expresarlo en números, se sabe algo sobre ello; pero cuando no se puede medir, cuando no se puede expresar en números, el conocimiento al respecto es pobre e insatisfactorio. Puede ser el comienzo del conocimiento, pero apenas has avanzado en tus pensamientos a una etapa científica".
Otro científico, Galileo (1564-1642), ha formulado claramente el objetivo integral de la metrología con la siguiente declaración: "Mide todo lo que es medible y haz medible lo que no lo es".
La metrología es una parte indispensable de la infraestructura moderna. De hecho, juega un rol importante en nuestras vidas, sea de manera directa o indirecta, en diferentes maneras. En este mundo competitivo, el éxito económico de la mayoría de la industria productiva depende críticamente de la calidad y confiabilidad de los productos fabricados -requisitos en los cuales la medición juega un papel clave. Ha sido incrementalmente esencial ajustarse a la normativa escrita, especificaciones y reconocimiento mutuo de las mediciones y ensayos, para comercializar en los mercados nacionales e internacionales. Esto puede ser logrado con la aplicación apropiada de los métodos de medición para mejorar la calidad de los productos y las plantas de generación energética.
La metrología no solo se ocupa del establecimiento, reproducción, protección, mantenimiento y transferencia o conversión de unidades de medida y sus estándares, sino que también se preocupa por la exactitud de la medición. Además de abarcar diferentes sectores industriales, también desempeña un papel vital en el establecimiento de estándares en diferentes campos que afectan a los seres humanos, como las ciencias de la salud, la seguridad y el medio ambiente. Por lo tanto, una de las principales funciones de la metrología es establecer estándares internacionales para las mediciones utilizadas por todos los países del mundo tanto en la ciencia como en la industria.
La tecnología moderna de fabricación se basa en mediciones dimensionales precisas y confiables. El término "metrología legal" aplica para cualquier aplicación de la metrología que es sujeta a leyes o regulaciones nacionales. Habrá vínculos legales y obligatorios sobre las unidades, métodos de medición e instrumentos de medición. El alcance de la metrología legal puede variar considerablemente de país en país. El objetivo principal es mantener la uniformidad de medida en un país particular. La metrología legal asegura la conservación de la normativa nacional y garantiza su exactitud en comparación con la normativa internacional, impartiendo así la exactitud apropiada a la normativa secundaria del país. Algunas aplicaciones de la metrología legal son la medición industrial, transacciones comerciales, salud pública y seguridad humana.
Un grupo de técnicas empleadas para medir pequeñas variaciones de naturaleza continua, se llama 'metrología dinámica'. Estas técnicas encuentran aplicación en la medición continua de una superficie y tienen ventajas evidentes sobre las mediciones individuales de una característica específica.
La metrología en la que la medición de las piezas se sustituye por la medición del proceso se conoce como 'metrología determinista'. Un ejemplo de metrología determinista es una nueva técnica conocida como compensación de errores 3D por sistemas de control numérico por computadora (CNC) y sistemas expertos, lo que lleva a un control completamente adaptativo. Esta tecnología se adopta en maquinaria y sistemas de control de alta precisión para lograr exactitudes de micro y nanotecnología.
1.3 Necesidad de inspección
La inspección industrial ha adquirido importancia en los tiempos recientes y tiene un enfoque sistemático y científico. Previo a la revolución industrial, los artesanos solían ensamblar las diferentes partes a mano y, en el proceso, se consumía mucho tiempo. Ellos eran enteramente responsables por la calidad de sus productos. La inspección era una función integral de la producción. Desde la revolución industrial, muchas técnicas nuevas de fabricación ha sido desarrolladas para facilitar la producción en masa de componentes.
En las técnicas de fabricación modernas, un producto debe ser pensado en diferentes componentes. La fabricación de cada uno de estos componentes es tratada entonces como un proceso independiente.
F. W. Taylor quien tenía la experiencia de ser el padre de la administración científica de la industria productiva, creó la filosofía moderna de producción y también la filosofía de la metrología de producción e inspección. Descompuso un trabajo en múltiples tareas, a modo de aislar las tareas relacionadas con la inspección de las tareas productivas. Esto culminó en la creación de un departamento de calidad en las industrias productivas, el cual tiene asignada la tarea de inspección y control de calidad.
La "inspección" se define como el procedimiento en el cual una parte o característica de un producto, como una dimensión, es examinada para determinar si conforma la especificación de diseño. Basicamente, la inspección es llevada a cabo para aislar y evaluar un diseño específico o atributo de calidad de un componente o producto. La inspección industrial asume importancia debido a la producción en serie, la cual se relaciona con la intercambiabilidad de las partes. Estos diferentes componentes que proceden de distintos lugares o industrias son luego ensamblados en otro lugar. Esto necesita que las partes ensamblen de modo que sea posible un acople satisfactorio con cualquier par seleccionado aleatoriamente. Para lograr esto, las dimensiones de los componentes deben encontrarse dentro los límites permisibles para obtener los ensambles requeridos con los ajustes predeterminados. La medición es una parte integral de la inspección. Muchos métodos de inspección dependen de las técnicas de medición, esto es, midiendo la dimensión real de una parte, mientras otros emplean el método de los calibres fijos (pasa/no pasa, galgas). El método de los calibres fijos no provee información del valor real de la característica pero es más rápido comparado a la técnica de medición. Este determina sólo si una dimensión en particular de interés está o no, dentro de los límites permitidos. Si la parte se encuentra dentro de los límites permitidos, es aceptada, de otra manera es rechazada. Este método determina la exactitud dimensional de una característica, sin hacer alguna referencia a su tamaño real, lo cual ahorra mucho tiempo. En la inspección, la parte pasa o falla. Así, la inspección industrial se ha convertido en un aspecto importante del control de calidad.
https://es.wikipedia.org/wiki/Calibre_fijo
La inspección abarca esencialmente lo siguiente:
1. Asegurarse de que la pieza, material o componente se ajuste al estándar establecido o deseado.
2. Lograr intercambiabilidad de fabricación.
3. Mantener la buena voluntad del cliente asegurándose de que ningún producto defectuoso llegue a los clientes.
4. Proporcionar los medios para descubrir deficiencias en la fabricación. Los resultados de la inspección son
Registrado e informado al departamento de fabricación para que tome medidas adicionales para garantizar la producción.
de piezas aceptables y reducción de chatarra.
5. Adquirir materias primas, herramientas y equipos de buena calidad que rijan la calidad de la
productos terminados.
6. Coordinar las funciones de control de calidad, producción, compras y otros departamentos
de las organizaciones
7. Tomar la decisión de realizar retrabajos en piezas defectuosas, es decir, evaluar la posibilidad de
haciendo que algunas de estas piezas sean aceptables después de reparaciones menores.
8. Fomentar el espíritu de competencia, que lleva a la fabricación de productos de calidad en serie
eliminando cuellos de botella y adoptando mejores técnicas de producción.
1.4.
Sabemos que la exactitud de la medición es muy importante para fabricar un producto de calidad. La exactitud es el grado de concordancia de la dimensión medida con su verdadera magnitud. También se puede definir como la cantidad máxima por la que el resultado difiere del valor verdadero o como la cercanía del valor medido a su valor verdadero, a menudo expresado como un porcentaje. El valor verdadero puede definirse como el promedio de un número infinito de valores medidos cuando la desviación media debido a varios factores, tiende a cero. En la práctica, la obtención del valor verdadero no es posible debido a las incertidumbres del proceso de medición y, por lo tanto, no se puede determinar experimentalmente. Las desviaciones positivas y negativas del valor verdadero no son iguales y no se cancelarán entre sí. Uno nunca sabría si la cantidad medida es el valor verdadero de la cantidad o no.
La precisión es el grado de repetibilidad del proceso de medición. Es el grado de concordancia de las medidas repetidas de una cantidad realizadas mediante el mismo método, bajo condiciones similares. En otras palabras, la precisión es la repetibilidad del proceso de medición. La capacidad del instrumento de medición para repetir los mismos resultados durante el acto de medición para la misma cantidad se conoce como repetibilidad. La repetibilidad es aleatoria en la naturaleza y, por sí sola, no garantiza la precisión, aunque es una característica deseable. La precisión se refiere a la reproducibilidad consistente de una medición. La reproducibilidad se especifica normalmente en términos de una lectura durante un período de tiempo determinado. Si un instrumento no es preciso, dará diferentes resultados para la misma dimensión para lecturas repetidas. En la mayoría de las mediciones, la precisión asume más importancia que la exactitud. Es importante tener en cuenta que la escala utilizada para la medición debe ser adecuada y cumplir con un estándar aceptado internacionalmente.
Es esencial conocer la diferencia entre precisión y exactitud. La exactitud da información sobre qué tan lejos está el valor medido con respecto al valor verdadero, mientras que la precisión indica la calidad de la medición, sin dar ninguna garantía de que la medición sea correcta. Estos conceptos están directamente relacionados con los errores de medición aleatorios y sistemáticos.
La Figura 1.1 también muestra claramente la diferencia entre precisión y exactitud, en la que se realizan varias mediciones en un componente utilizando diferentes tipos de instrumentos y se representan los resultados. Se puede ver claramente en la Figura 1.1 que la precisión no es una sola medición, sino que está asociada con un proceso o conjunto de mediciones. Normalmente, en cualquier conjunto de mediciones realizadas por el mismo instrumento en el mismo componente, las mediciones individuales se distribuyen alrededor del valor medio y la precisión es la cercanía de estos valores entre sí.
Verdadera magnitud: Medida nominal. No es posible debido a las incertidumbres del proceso de medición y por tanto no puede ser determinada experimentalmente.
Exactitud: El grado de concordancia de la dimensión medida con su verdadera magnitud. Máxima cantidad la cual el resultado difiere del valor verdadero o qué tan cerca está de su valor verdadero.
Presición: Repetitividad del proceso de medición. Grado de concordancia de repetidas mediciones realizadas con el mismo método. Precisión refiere a la reproducibilidad consistente de una medición.
Repetibilidad: Es la habilidad del instrumento de medición de repetir los mismos resultados durante el acto de medición de la misma cantidad. Es de naturaleza aleatoria y no asegura la exactitud pero es una característica deseable.
Reproducibilidad: Se entiende como la consistencia de las mediciones hechas por diferentes evaluadores utilizando el mismo equipo de medición.
Si un instrumento no es preciso, daría diferentes resultados para la misma dimensión en lecturas repetidas. En la mayoría de los instrumentos, la precisión asume más importancia que la exactitud.
Diferenci entre precisión y exactitud. La exactitud da información respecto qué tan lejos está el valor medido al valor verdadero, mientras que la precisión indica la calidad de medición, sin dar ninguna garantía que la medición es correcta. Estos conceptos se relacionan con errores aleatorios y sistemáticos.
E = VM - VV
%error = (VM-VV)/VV x 100%
La precisión de un instrumento siempre se expresa en términos de error. El instrumento es más preciso si la magnitud del error es bajo. Es esencial evaluar la magnitud del error de la magnitud siendo medida por otros medios ya que el valor verdadero es raramente conocido, debido a la incertidumbre asociada al proceso de medición. Para estimar la incertidumbre del proceso de medición, uno necesita considerar los errores constantes y sistemáticos, y además, otros factores que contribuyen a la incertidumbre debido a la dispersión de los resultados respecto del promedio. Consecuentemente cuando la presición es un criterio importante, los componentes ensamblados son fabricados en la misma planta y las mediciones son obtenidas con los mismos estándares y la misma presición interna de medición, para lograr la intercambiabilidad de fabricación. Si los componentes a ser ensamblados están fabricados en distintas plantas y ensamblados en otro lado, la exactitud de la medición de ambas plantas estandarizadas verdaderamente, se vuelve muy importante.
Para mantener la calidad de los productos manufacturados, la exactitud de medición es una característica importante. Por tanto, se vuelve esencial conocer los diferentes factores que afectan la exactitud. El factor de los sentidos afecta la exactitud de medición, sea el tacto o visión. En los instrumentos que tienen una escala y un puntero, la exactitud de medición depende del efecto de límite, esto es, el puntero se mueve o no se mueve. Debido a que la exactitud de medición siempre se asocia con algún error, es esencial diseñar el equipo de medición y los métodos usados, en tal manera que el error de medición sea minimizado.
Dos términos asociados con la exactitud, especialmente cuando uno se esfuerza por más exactitud en el equipo de medición: sensibilidad y consistencia. La proporción de cambio de una indicación de un instrumento respecto al cambio de la cantidad siendo medida, se define como <<sensibilidad>>. En otras palabras, la habilidad del equipo de medición de detectar pequeñas variaciones en la cantidad siendo medida. Cuando se realizan esfuerzos para incorporar mayor exactitud en equipos de medición, su sensibilidad aumenta. El grado permitido de sensibilidad determina la exactitud del instrumento. Un instrumento no puede ser más exacto que el grado permisible de sensibilidad. Es muy pertinente de mencionar aquí que el uso innecesario de un instrumento de medición más sensitivo que lo necesario es una desventaja. Cuando las lecturas sucesivas de una cantidad medida obtenidas desde el instrumento de medición son las mismas todo el tiempo, el equipo se dice que es <<consistente>>. Un instrumento extremadamente exacto posee sensibilidad y consistencia. Un instrumento muy sensitivo puede no ser consistente, y el grado de consistencia determina la exactitud del instrumento. Un instrumento que es ambas cosas, consistente y sensitivo, no necesariamente es exacto, porque su escala puede estar calibrada con un patrón o referencia equivocado. Los errores de medición serán constantes en tales intrumentos, los cuales fueron reparados en la calibración. Es también importante observar que si el aumento es mayor, el rango de medición disminiuye y, al mismo tiempo, la sensibilidad aumenta. Las variaciones de temperatura afectan a un instrumento y se necesita ser más habilidoso para manejarlo. El "rango" se define como la diferencia entre los valores mínimos y máximos que un instrumento puede medir. Si un instrumento tiene un escala de lectura de 0.01-100 mm, entonces el rango del instrumento es 0.01-100 mm.
1.4.1 Exactitud y costo
Se puede observar de la figura que a medida que la exactitud aumenta, el costo aumenta exponencialmente. Si se debe medir la tolerancia de un componente, entonces la exactitud requerida será normalmente el 10% de los valores de tolerancia. Demandar alta exactitud al menos que sea absolutamente requerida, no es viable, ya que incrementa el costo del equipo de medición y por tanto el de inspección. En adición, hace al equipo de medición será no confiable, debido a que mayor exactitud aumenta la sensibilidad. Por tanto en la práctica cuando se diseña un equipo de medición, la exactitud deseada/requerida a considerar, depende de la calidad y confiabilidad del componente/producto y costo de inspección
1.5 OBJETIVOS DE LA METROLOGÍA Y LAS MEDICIONES
A partir de las discusiones anteriores, sabemos que la precisión de la medición es fundamental para la producción de productos de calidad. Por lo tanto, el objetivo principal de cualquier sistema de medición es proporcionar la precisión requerida al menor costo posible. Además, la metrología es una parte integral de la industria de la ingeniería moderna, abarcando diversas áreas como diseño, manufactura, ensamblaje, investigación y desarrollo, e ingeniería.
Los objetivos de la metrología y las mediciones incluyen:
- Garantizar que los componentes recién desarrollados sean evaluados y diseñados adecuadamente dentro del proceso, y que las instalaciones con capacidades de medición estén disponibles en la planta.
- Asegurar la uniformidad en las mediciones.
- Realizar estudios de capacidad del proceso para lograr mejores tolerancias en los componentes.
- Evaluar la adecuación de los instrumentos de medición para cumplir con sus respectivas funciones.
- Garantizar una inspección rentable y el uso óptimo de las instalaciones disponibles.
- Aplicar técnicas de control de calidad para minimizar la tasa de desperdicio y retrabajo.
- Establecer procedimientos de inspección desde la fase de diseño, estandarizando los métodos de medición.
- Calibrar periódicamente los instrumentos de medición para mantener la precisión en las mediciones.
- Resolver problemas de medición que puedan surgir en el área de producción.
- Diseñar calibres y dispositivos especiales necesarios para la inspección.
- Investigar y eliminar diferentes fuentes de error en las mediciones.
1.7 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:
- Errores de calibración
- Condiciones ambientales
- Deformación de la pieza de trabajo
- 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:
- Presencia de fluctuaciones transitorias en la fricción del instrumento de medición
- Holgura en los mecanismos de enlace de los instrumentos de medición
- Error en el juicio del operador al leer la parte fraccionaria de las divisiones de la escala grabada
- Incapacidad del operador para registrar correctamente las lecturas debido a fluctuaciones durante la medición
- Errores posicionales asociados con el objeto medido y el estándar, causados por pequeñas variaciones en la configuración
Comparación entre errores sistemáticos y errores aleatorios
Resumen rápido
■ La importancia y necesidad de la metrología ha incrementado de gran manera con la revolución industrial, la cual enfatizó la importancia de la metrología en la industria.
■ La inspección se define como el procedimiento en el cual una característica de una parte o producto, por ejemplo una dimensión, se examina para determinar si es conforme a la especificación de diseño (planos, memoria de cálculo, hoja técnica, etc.). Básicamente la inspección es llevada a cabo para aislar y evaluar un diseño específico o para medir el atributo de la calidad de un componente o producto.
■ Sabemos que la exactitud de medición es muy importante para fabricar un producto de calidad. La "exactitud" es el grado de conformidad de la "dimensión medida" con su "verdadera magnitud". También puede definirse también como la máxima cantidad en la cual el resultado difiere de su verdadera magnitud.
■ La "presición" es el grado de repetividad del proceso de medición. Es el grado de conformidad de mediciones repetidas de una cantidad, realizadas usando el mismo método, bajo condiciones similares.
■ La habilidad de un instrumento de medición de repetir los mismos resultados durante el acto de medición para la misma cantidad, se conoce como "repetibilidad".
■ La diferencia entre el valor verdadero y el valor promedio de una serie de lecturas del mismo componente se llama "error". El error también puede ser definido como la diferencia entre el valor indicado y el valor verdadero de la cantidad medida.
■ La proporción de cambio de la indicación del instrumento respecto del cambio de la cantidad siendo medida se conoce como "sensibilidad". Cuando lecturas sucesivas de la cantidad medida proviniendo del instrumento de medición, son las mismas todo el tiempo, el equipo se dice que es "consistente".
■ El "rango" se define como la diferencia entre los valores máximos y mínimos que un instrumento puede medir. Ej.: calibre de 0-150 mm
■ El proceso de validación de las mediciones para asegurar si una cantidad física conforma el patrón de medición original/nacional, se conoce como "trazabilidad" del patrón (standard).
■ La calibración es el proceso utilizado para establecer una relación entre los valores de las cantidades indicadas por el instrumento de medición y los valores correspondientes llevados a cabo por standards/patrones bajo condiciones específicas.
■ Un error sistemático es un tipo de error que se desvía una cantidad fija del valor verdadero. Estos tipos de errores son controlables en magnitud y dirección.
■ Los errores aleatorios proveen una medida de las desviaciones aleatorias cuando las mediciones de una cantidad física son realizadas repetidamente. Estos errores pueden ser evaluados estadísticamente y su valor promedio y desviación estándar pueden ser calculados.
- Cuando un conjunto de lecturas de una medición tiene un amplio rango, indica:
(a) alta precisión (c) baja precisión
(b) alta exactitud (d) baja exactitud
- La diferencia entre los valores más bajos y más altos que un instrumento es capaz de medir se llama:
(a) exactitud (c) rango
(b) sensibilidad (d) error
- Al determinar la incertidumbre de un dispositivo de medición en particular, los factores comunes de incertidumbre que deben incluirse son:
(a) errores en la técnica y método de medición
(b) variabilidad aleatoria del proceso de medición
(c) error del técnico
(d) todos ellos
- El objetivo de la calibración es:
(a) satisfacer los requisitos del cliente
(b) detectar el deterioro de la precisión
(c) cumplir con los requisitos de la norma ISO 9000
(d) practicar procedimientos de medición
- ¿Cuál de las siguientes opciones define el error de paralaje?
(a) Lo mismo que el error de observación
(b) Desplazamiento aparente de un objeto cuando se altera la posición del observador
La mejor manera de eliminar el error de paralaje es:
(a) utilizar una lupa mientras se toman las mediciones
(b) utilizar un espejo detrás del puntero o indicador de lectura
(c) centrar la escala a lo largo de la característica medida
(d) tomar mediciones consistentes desde un solo lado
¿Qué error se elimina o minimiza mediante el ajuste de cero en un indicador de reloj (comparador)?
(a) Error de paralaje
(c) Error de alineación
(b) Error inherente
(d) Error de cálculo
La mejor característica estándar al calibrar un instrumento para la inspección de producción es:
(a) diez veces la precisión
(b) que sea nuevo y poco utilizado desde la calibración
(c) asignado permanentemente a este instrumento en particular
(d) utilizando un estándar similar en tamaño, forma y material, con la pieza que se está midiendo.
- La interpretación de los resultados de mediciones repetidas de la misma característica se considera como la
(a) precisión del instrumento (c) rango del instrumento
(b) exactitud del instrumento (d) sensibilidad del instrumento
- Cuando se utiliza una regla de acero, ¿cuál de las siguientes opciones es la fuente de incertidumbre de la medición?
(a) Error inherente del instrumento, error de temperatura y error de manipulación
(b) Error de fijación, error de manipulación y error de temperatura
(c) Error de fijación, sesgo y error inherente del instrumento
(d) Error inherente del instrumento, error de manipulación y error de observación
- La exactitud se define como
(a) una medida de qué tan a menudo se puede repetir un valor experimental
(b) la cercanía de un valor medido al valor real
(c) el número de cifras significativas utilizadas en una medición
(d) ninguna de estas.
- La conformidad de una cantidad física con el estándar nacional de medición se conoce como
(a) calibración (b) sensibilidad (c) trazabilidad (d) repetibilidad
- Los errores sistemáticos son
(a) errores controlables
(b) errores aleatorios
(c) errores incontrolables
(d) ninguno de estos
- Cuando se traza una serie de mediciones repetidas que se realizan en un componente en condiciones similares, sigue una
(a) distribución logarítimica-normal
(b) distribución de Weibull
(c) distribución binomial
(d) distribución gaussiana
- Los errores aleatorios pueden evaluarse
(a) experimentalmente
(b) realizando un análisis de sensibilidad
(c) estadísticamente
(d) empíricamente
REGUNTAS DE REPASO
- Defina metrología. Explique la importancia de la metrología.
- Diferencie entre sensibilidad y consistencia.
- Defina el término "mensurando" y "comparador".
- Explique brevemente la metrología legal y determinista.
- Distinga entre mediciones directas e indirectas. Dé dos ejemplos de cada una.
- Describa cinco métodos de medición.
- Defina lo siguiente:
(a) Rango de medición
(b) Sensibilidad
(c) Consistencia
(d) Repetibilidad
(e) Calibración
(f) Trazabilidad
- Diferencie entre precisión y exactitud.
- ¿Cuáles son las posibles fuentes de errores en las mediciones? Explique brevemente cada una de ellas.
- Discuta la necesidad de la inspección.
- Explique los elementos importantes de las mediciones.
- Diferencie entre errores sistemáticos y errores aleatorios.
- Discuta la relación entre precisión y costo.
- Liste los objetivos de la metrología.
- Discuta las diferentes razones para la ocurrencia de errores sistemáticos.
