Instrumentos de Medición

Transcripción

1 Instrumentos de Medición Dispositivo destinado a ser utilizado para hacer mediciones sólo o en conjunto con dispositivos complementarios. El propósito de un instrumento de medición es proporcionar información acerca del valor físico de alguna variable que se va a medir.

2 De acuerdo a su principio de medición, los instrumentos se clasifican en: Mecánicos Electrónicos Ópticos Neumáticos Eléctricos Etc.

3 De acuerdo a otros criterios se clasifican en: Instrumentos de tipo nulo y deflexión de aguja Instrumentos analógicos y digitales Instrumentos de supervisión y control otros

4 Características de los instrumentos Las característica de los instrumentos resultan esenciales cuando se diseñan sistemas para asegurar el cumplimiento de los requisitos de medición y el uso adecuado de instrumentos. Las características de los instrumentos se dividen en dos categorías: estáticas (describen parámetros del instrumento) y dinámicas (describen la respuesta dinámica de un instrumento entre el tiempo en que cambia la cantidad medida y el tiempo que necesita la salida del instrumento para obtener un valor constante.

5 Errores en la medición Sistemáticos: Propios del instrumento Errores en trazado escala Regulación respecto patrón Desgastes no detectados Cambios temperatura

6 Casuales: Errores en la medición personas Posición inadecuada instrumento Lectura errónea Falta regulación Regulación inadecuada

7 Errores Repetibiliidad Reproducibilidad Incertidumbre Error Absoluto Error Relativo TIPOS DE ERRORES Por el instrumento o equipo de medición Del operador o por el método de medición Por el uso de instrumentos no calibrados Por la fuerza ejercida al efectuar la medición Por instrumentos inadecuados Error por puntos de apoyo Error por método de sujección del instrumento Error por distorsión Error por paralaje Error de posición Error por desgaste Por condiciones ambientales

8 Instrumentos de Verificación La diferencia fundamental entre medir y verificar es que la medida entrega una lectura y la verificación simplemente determina si una medida es o no conforme a lo especificado. Los instrumentos de verificación mas utilizados en metrología dimensional: Comparador de carátula Calibres límite

9 1. Exactitud de medición. Proximidad de concordancia entre el resultado de una medición y un valor verdadero del mensurando. Componentes de la exactitud Incertidumbre del patrón (Fuentes) Desempeño del equipo Condiciones Ambientales/Procedimiento Usuarios (Metrólogos) Capacitación/Experiencia/Herramientas

10 2. Precisión de medición. Grado de concordancia (cercanía) entre varios resultados de una medición. La precisión es un término que describe un grado de libertad del instrumento a partir de variaciones aleatorias de su salida cuando se mide una cantidad constante. Si se toma un número grande de lecturas de la misma cantidad entonces la dispersión será muy pequeña. Puede ser evaluado bajo condiciones de repetibilidad y reproducibilidad.

11 La repetibilidad Describe la cercanía de las lecturas de salida cuando se aplican a la misma entrada en forma repetitiva durante un periodo breve de tiempo, bajo las mismas condiciones de medición, el mismo instrumento, mismo observador, la misma ubicación y mismas condiciones de uso que se mantienen en todo momento.

12 La reproducibilidad Describe la cercanía de las lecturas de la salida para la misma entrada cuando hay cambios en el método de medición, el observador, el instrumento de medición, etc. Ambos términos describen la dispersión de las lecturas de salida para la misma entrada, pero esa dispersión cambia de nombre según varíen las condiciones de medición. El grado de repetibilidad o reproducibilidad en las mediciones de un instrumento es una forma alternativa de expresar la precisión.

13 Comparación de exactitud y precisión Preciso pero no exacto Impreciso e inexacto Preciso y exacto

14 3. Intervalo Nominal (Alcance) o Rango de medición Intervalo de las escala de un instrumento de medición. Define los valores máximo y mínimo de una cantidad. Alcance: 3-9 unidades

15 4. Resolución La mínima diferencia de indicación de un dispositivo indicador, que puede ser percibida de manera significativa. Muchas veces coincide con el valor de una división de escala: diferencia entre los valores correspondientes a dos marcas sucesivas de la escala.

16 Resolución: La resolución depende de la capacidad visual del observador. Si el espesor de la aguja es igual al espacio entre dos divisiones mínimas, la resolución será 1/2 de la cuenta mínima; si cabe dos veces, la resolución será se 1/3, etc... D---Valor de la División Mínima de Escala d---longitud de la división mínima de escala c---ancho de la aguja R d c 1 1 D

17 5. Polarización Describe un error constante que existe sobre la escala completa de medición de un instrumento. En general este error se elimina mediante la calibración. Una báscula por ejemplo puede presentar polarización de 1 g sin que se pese nada por lo que las lecturas que se realicen a cualquier masa indicarán un peso mayor en un gramo. Esta polarización constante puede eliminarse mediante la calibración. Las básculas domésticas son un ejemplo donde se presenta la polarización y esta se Puede corregir con el ajuste manual a cero cuando no hay peso en la báscula.

18 6. Linealidad Se refiere a la exactitud de la medición de un instrumento en el rango de medición Comúnmente resulta deseable que la lectura de salida de un instrumento de medición sea linealmente proporcional a la cantidad que se mide. Esta representada por la siguiente relación: Linealidad = 1 (valor teorico valor medido) rango total de medición

19 Exactitud del instrumento expresada por la LINEALIDAD

20 7. Deriva Comportamiento temporal típico consiste en que la celda de carga busque un punto de equilibrio de acuerdo a los cambios en las condiciones externas. Salida Calibración Posterior Error Total debido a la deriva Calibración Inicial Desviación del cero Entrada

21 8. Sensibilidad. Es la relación entre el desplazamiento de la marca en un aparato de medida y la variación de la magnitud, observada en dicho aparato y la variación de la magnitud de medida que ha provocado dicho desplazamiento. Salida Sensibilidad= Dq 0 Dq i Entrada La sensibilidad de la medición es, en consecuencia, la pendiente de la línea recta. Por ejemplo una presión de 2 bar produce una desviación de 10 grados en un traductor de presión, la sensibilidad del instrumento equivale a 5 grados/bar.

22 9. ( Umbral de ) movilidad. La variación más grande en la señal de entrada que no provoca una variación detectable de la respuesta de un instrumento de medición, siendo la variación de la señal de entrada lenta y monótona. Como ejemplo el velocímetro de un automóvil tiene un umbral cercano a 15 Km/h, esto hace que si el vehículo arranca desde el reposo y acelera, no se observará ninguna lectura de salida hasta que la velocidad llegue a 15 Km/h. 10. Otros como histéresis, espacio muerto, etc.

23 Características del sistema de medición Exactitud Estabilidad Linealidad Precisión Sistemas de Confirmación Metrológica 23

24 Estudio de Capacidad? R&R? REPETIBILIDAD (de resultados de medición) Cercanía de acuerdo entre los resultados de mediciones sucesivas del mismo MENSURANDO llevadas a cabo bajo las mismas condiciones. REPRODUCIBILIDAD (de las mediciones) Cercanía de acuerdo entre los resultados de mediciones del mismo mensurando llevadas a cabo bajo condiciones diferentes. EXACTITUD PRECISION 24 Sistemas de Confirmación Metrológica

25 Exactitud y Precisión Exactitud (Accuracy): es la condición o calidad de conformidad exactamente a un estándar. Exactitud se relaciona con una Especificación Técnica. La exactitud de un instrumento es la distancia del promedio de muchas mediciones realizadas por el instrumento de acuerdo con el valor verdadero o Estándar al iniciar la medición. Sistemas de Confirmación Metrológica 25

26 La diferencia entre el promedio y el valor verdadero se le conoce como el Error de la Medición. Una falta de exactitud es algunas veces referido como Sesgo. Una medición exacta de un instrumento podría ser considerado sobre todo el rango del instrumento de medición. Esto es frecuentemente expresado como la Linealidad. Se denomina exactitud a la capacidad de un instrumento de medir un valor cercano al valor de la magnitud real. Exactitud implica precisión. Pero no al contrario. Esta cualidad también se encuentra en instrumentos generadores de magnitudes físicas, siendo en este caso la capacidad del instrumento de acercarse a la magnitud física real. En ingeniería, ciencia, industria y estadística, se denomina precisión a la capacidad de un instrumento de dar el mismo resultado en mediciones diferentes realizadas en las mismas condiciones. Esta cualidad debe evaluarse a corto plazo. No debe confundirse con exactitud ni con reproducibilidad. 26 Sistemas de Confirmación Metrológica

27 Estudios de Capacidad R&R Es un método para determinar la frecuencia en que se debe realizar la calibración de un instrumento. Se requiere del conocimiento del grado y la severidad de utilización del equipo, influencias de las condiciones ambientales y la exactitud de medición buscada. Todo lo anterior desde el enfoque de la naturaleza del proceso. Sistemas de Confirmación Metrológica 27

28 Aplicación de los Estudios de R&R En metrología las aplicaciones de los estudios de repetibilidad y reproducibilidad encuentran aplicaciones en los procesos de evaluación, validación y análisis de las mediciones, estas aplicaciones son entre otras: Evaluación de ensayos de aptitud. Validación de los métodos de calibración. Análisis de comparaciones interlaboratorio. Evaluación de la incertidumbre de medición. Evaluación de catas de control. Conocer la variabilidad de las mediciones e instrumentos (GRR según MSA) Evaluación de la deriva (estabilidad) de instrumentos. Sistemas de Confirmación Metrológica 28

29 Métodos para determinar Estudios de Capacidad R&R Los métodos aceptables para la determinación de estudios de repetibilidad y reproducibilidad se basan en la evaluación estadística de las dispersiones de los resultados, ya sea en forma de rango estadístico (máximo mínimo) o su representación como varianzas o desviaciones estándar. Sistemas de Confirmación Metrológica 29

30 Técnicas para el Análisis de Estudios R&R Análisis Gráfico: por medio de diferentes cartas y gráficas de los datos y resultados. Gráfico de Promedios y Rangos. Gráficos de series (Run). Gráficos de dispersión (Scatter). Gráficos Whiskers. Gráficos de Errores. Histograma Normalizado. Grafico X-Y de promedios y talla. Comparación de Graficas X-Y. Estadísticos h y k de Mandel. Sistemas de Confirmación Metrológica 30

31 Técnicas para el Análisis de Estudios R&R Análisis Numérico: se realiza por medio del cálculo de los componentes individuales de repetibilidad y reproducibilidad. El cálculo de la repetibilidad es conocida como el ruido presente en el experimento, ya que su propósito es estimar la variabilidad interna de cada condición. El cálculo de la reproducibilidad determina la variabilidad entre las condiciones. Finalmente el cálculo de R&R es la razón de estimar la variabilidad interna promedio y la variabilidad entre condiciones. 31 Sistemas de Confirmación Metrológica

32 Relación Optima en el Análisis de Estudios R&R El análisis numérico se complementa con la comparación del valor obtenido de la reproducibilidad con respecto al de la repetibilidad. Si la reproducibilidad esta por abajo del 10% de la repetibilidad (R<0,1r), generalmente se considera que la reproducibilidad es ACEPTABLE, y existe compatibilidad entre las diferentes condiciones que fueron evaluadas. Si la reproducibilidad esta entre 10% y 25% de la repetibilidad (0,1 r < R <0,25 r) se considera que la reproducibilidad entre las diferentes condiciones puede ser aceptable con base a la importancia de la aplicación, costo del equipo de medición, costo del servicio de calibración, ajuste o reparación. Si la reproducibilidad esta por arriba del 25% de la repetibilidad (R>0,25 r), se debe mejorar el sistema de medición (personal, equipo, métodos, condiciones entre otros). 32 Sistemas de Confirmación Metrológica

33 Flujograma del Programa para el Estudio de Capacidad R&R 3 Inspectores 2 Corridas Suministrar datos Analizar Repetibilidad y Reproducibilidad Archivar resultados en el File del equipo Programa para el Estudio R&R P/T < 25% SI Equipo de medición adecuado para el control de proceso NO Fuentes de error en la medición Operadores (Reproducibilidad) Instrumento (Repetibilidad) Capacitación. Métodos adecuados. Condiciones Mejorar metrología o Reemplazar instrumento. 33

34 Ejemplo de Estudio de Capacidad R&R Estudio de Capacidad R&R 3 Inspectores - 2 Corridas Nombre: INSPECTOR A INSPECTOR B INSPECTOR C Juan Carlos Nombre: Raymundo n Corrida 1 Corrida 2 Rango Corrida 1 Corrida 2 Rango Corrida 1 Corrida 2 Rango 1 7,0600 7,0340 0,0260 7,0700 7,0500 0,0200 7,0650 7,0500 0, ,0550 7,0600 0,0050 7,0500 7,0400 0,0100 7,0600 7,0450 0, ,0800 7,0550 0,0250 7,0450 7,0550 0,0100 7,0500 7,0600 0, ,0350 7,0400 0,0050 7,0450 7,0600 0,0150 7,0550 7,0500 0, ,0500 7,0650 0,0150 7,0600 7,0350 0,0250 7,0250 7,0350 0,0100 Sumatoria 35, ,2540 0, , ,2400 0, , ,2400 0,0150 Media Aritm 7,0560 7,0508 0,0052 7,0540 7,0480 0,0060 7,0510 7,0480 0,0030 Desv Estand 0,0164 0,0133 0,0103 0,0108 0,0104 0,0065 0,0156 0,0091 0,0042 Media Inspector A 7,0534 Media Inspector B 7,0510 Media Inspector C 7,0495 Rango Inspector A 0,0210 Rango Inspector B 0,0150 Rango Inspector C 0,0100 Desv Estand Inspector A 0,0103 Desv Estand Inspector B 0,0065 Desv Estand Inspector C 0,0042 ANALISIS DE LAS VARIACIONES REPRODUCIBILIDAD REPETIBILIDAD Variacion de los inspectores Variacion del Equipo V.I. 0,2381 V.E. 0,06992 REPRODUCIBILIDAD Y REPETIBILIDAD (R&R) 0,2481 ANALISIS DE TOLERANCIAS % Tolerancia del Proceso de Medicion 0,2500 Tolerancia consumido por V.I. 95,24 Tolerancia consumido por V.E. 27,968 Nombre: Roberto Sistemas de Confirmación Metrológica 34

35 Algunas conclusiones a considerar Si la Repetibilidad es grande comparada con la reproducibilidad las razones podrían ser: El instrumento necesita mantenimiento. El equipo requiere ser rediseñado para ser mas rígido. El montaje o ubicación donde se efectúan las mediciones necesita ser mejorado. Existe una variabilidad excesiva entre las partes. Sistemas de Confirmación Metrológica 35

36 Algunas conclusiones a considerar Si la reproducibilidad es grande comparada con la repetibilidad, entonces las causas podrían ser: El operador o metrólogo necesita mejor entrenamiento en como utilizar y como leer el instrumento. La indicación del instrumento no es clara. No se han mantenido condiciones de reproducibilidad (ambientales, montaje, fluidos, etc). El instrumento de medición presenta deriva (variación lenta de una característica metrológica de un instrumento de medición). Esto esta relacionado con la Estabilidad. Sistemas de Confirmación Metrológica 36

37 La esencia de un exitoso control de proceso, radica en la excelencia de contar con equipos e instrumentos que garanticen la uniformidad requerida para el aseguramiento de la calidad de bienes y servicios.» (Rafa Torres). Sistemas de Confirmación Metrológica 37