CÁLCULO DE INCERTIDUMBRE EN MEDIDAS FÍSICAS: MEDIDA DE UNA MASA

Transcripción

1 CÁLCULO DE INCERTIDUMBRE EN MEDIDAS FÍSICAS: MEDIDA DE UNA MASA Alca Maroto, Rcard Boqué, Jord Ru, F. Xaver Rus Departamento de Químca Analítca y Químca Orgánca Unverstat Rovra Vrgl. Pl. Imperal Tàrraco, Tarragona La medda de una masa en una balanza analítca es una de las operacones más comunes en un laboratoro de análss. Como cualquer otra medda nstrumental, la medda de una masa tambén está sujeta a un error expermental, error que depende de la propa balanza y de las condcones en que se lleva a cabo la pesada. Tras la verfcacón de la trazabldad de la medda de masa a través del proceso de calbracón de la balanza, abordada en otro artículo de esta sere, en este artículo se descrbe cómo calcular la ncertdumbre asocada a la pesada de una determnada muestra. Incertdumbre de las meddas de masa La ncertdumbre de una medda de masa depende de los errores asocados al proceso de calbracón de la balanza, a la derva de la msma y al propo proceso de pesada de la muestra. Para calcularla es recomendable segur la metodología propuesta por la ISO (Gude to the Expresson of Uncertanty n Measurement) [GUM 199], la cual se basa en dentfcar, cuantfcar y combnar todas las fuentes de ncertdumbre del procedmento de medda. La Fgura 1 muestra las cuatro etapas dferencadas propuestas por la ISO para calcular la ncertdumbre [Maroto 00]. A contnuacón, se detalla cómo aplcar cada una de dchas etapas al cálculo de la ncertdumbre de una medda de masa. Especfcacón masa = masam correccón derva Identfcacón Calbracón Fuentes de ncertdumbre: Medda de la masa Derva Cuantfcacón Cálculo de las fuentes de ncertdumbre dentfcadas Combnacón Cálculo de la ncertdumbre total: Ley de propagacón de errores Fgura 1. Etapas a segur para calcular la ncertdumbre de una medda de masa según el método de la ISO. 1

2 Especfcacón En la etapa de la especfcacón debe establecerse cuál es la relacón, s es posble a través de una ecuacón matemátca, entre el resultado de la medda (en este caso la masa de una muestra) y los parámetros de los que depende. La masa de una muestra se expresa como: masa = masam correccón derva [1] donde masa m es el peso de la muestra regstrado por la balanza. La correccón se calcula en el proceso de calbracón de la balanza [Ru 001] y consdera la dferenca entre el valor asgnado de las masas patrón y el valor proporconado por la balanza al pesar la masa patrón. La derva de la balanza es debda a dos causas: 1) a que con el paso del tempo la balanza se va descalbrando; y ) al error sstemátco debdo a la dferenca entre la temperatura a la que se calbra la balanza (0ºC) y la temperatura a la que se pesa la muestra. En esta expresón no se ha consderado el efecto del empuje del are ya que suele ser desprecable porque la densdad de las muestras normalmente es mucho mayor que la densdad del are. Este efecto es consecuenca drecta del prncpo de Arquímedes y hace que los valores proporconados por la balanza sean nferores a su verdadero valor [Ru 001]. Identfcacón En esta etapa deben dentfcarse todas las fuentes de ncertdumbre asocadas a la pesada de una muestra. Estas fuentes de ncertdumbre son: 1. Incertdumbre de la calbracón. Cualquer nstrumento de medda debe calbrarse para garantzar la trazabldad de los resultados que proporcona [Ru 001]. Durante el proceso de calbracón tambén se realzan meddas, las cuales, obvamente, no están exentas de error nstrumental. La ncertdumbre de esta etapa, pues, está asocada a la correccón calculada durante la calbracón de la balanza y depende de la ncertdumbre de las masas patrón y de los errores asocados al propo proceso de calbracón.. Incertdumbre de la propa medda de la masa. Depende de la resolucón de la balanza y de la precsón de la pesada, a la cual contrbuyen los errores aleatoros asocados al analsta y a las magntudes de nfluenca (temperatura, presón atmosférca, humedad,...).. Derva de la balanza. Consdera el error sstemátco debdo a que la balanza se va descalbrando con el paso del tempo y a la dferenca entre la temperatura a la que se realza la pesada y la temperatura a la que se ha calbrado la balanza. El lector puede preguntarse por qué es necesaro consderar tambén la ncertdumbre de la calbracón y de la derva. Imagnemos que sólo consderásemos la ncertdumbre de medda de la balanza, y que esta fuera de ±0.000 g. Entonces, s pesáramos una muestra y obtuvéramos un valor de g, podríamos consderar (con una confanza del 95%) que la masa verdadera está comprendda entre y g. Sn embargo, magnemos que hemos calbrado la balanza

3 con una masa patrón de g y que la balanza do un valor medo (procedente de dversas meddas) de exactamente g. Según esto, no habría que aplcar nngún tpo de correccón a las meddas futuras. No obstante, ambos g son ncertos. El prmero porque toda masa patrón lleva asgnada una ncertdumbre (supongamos de ± g) y el segundo porque la masa patrón hay que pesarla con la balanza, la cual hemos dcho que tene una ncertdumbre asocada a la propa medda de ±0.000 g. Esto mplca que el valor de correccón de g obtendo en la calbracón posee una ncertdumbre asocada. Es decr, es un cero ncerto, y esa ncertdumbre hay que trasladarla al resultado fnal. Del msmo modo, en el caso de la derva hay que contemplar el hecho de que la temperatura a la que se realza la pesada de la muestra problema no sea la msma que la temperatura a la que se calbró la balanza en su día. Del msmo modo, es necesaro consderar que la correccón calculada en la calbracón puede haber varado ya que con el paso del tempo la balanza se va descalbrando. Cuantfcacón Una vez dentfcadas todas las fuentes de error que pueden contrbur a la ncertdumbre fnal, la sguente etapa consste en cuantfcar su magntud: 1. Incertdumbre de la calbracón La ncertdumbre de la calbracón depende de que la balanza la calbre el propo laboratoro (calbracón nterna) o ben de que se calbre en otro laboratoro (calbracón externa). a) Calbracón nterna En un artículo anteror de esta sere [Ru 001], se descrbó el proceso de calbracón de una balanza. Este tpo de calbracón se realza por comparacón drecta con masas patrones que cubren el campo de medda de la balanza. A este tpo de calbracón se la conoce como calbracón drecta ya que el valor de referenca de las masas patrón se expresa en la msma magntud en que mde la balanza (es decr, en undades de masa). La calbracón de la balanza debe hacerse entre 5 y 10 puntos de la escala de la balanza de tal forma que el campo de medda quede dvddo en ntervalos aproxmadamente guales. En cada uno de estos puntos de calbracón debe pesarse entre 6 y 10 veces la masa patrón [MINER 1994]. De esta forma, se puede calcular la correccón, c, para cada punto de calbracón a partr de la desvacón entre el valor de la masa patrón, m pat,, y el valor medo obtendo al pesar la masa patrón n veces con la balanza, m : c = m m [] pat, En esta expresón se ha desprecado el efecto del empuje del are, ya que la densdad del acero de las masas patrón es mucho mayor que la densdad del are.

4 La ncertdumbre debda a la calbracón tene, por tanto, dos componentes: uno SISTEMÁTICO debdo a la propa correccón (ya que las pesadas futuras no se corrgen por el valor de la correccón) y que debe nclurse s la correccón calculada es sgnfcatva, y uno ALEATORIO debdo a la ncertdumbre de dcha correccón. La ncertdumbre de la correccón en cada punto de calbracón se calcula aplcando la ley de propagacón de errores a la expresón anteror [GUM 199, Maroto 00]: s( m ) res U( mpat, ) ( calbracón ) c u = n [] El prmer térmno de la Ec. consdera la ncertdumbre del valor medo, m, obtendo al pesar la masa patrón. Esta ncertdumbre tene dos componentes. El prmero consdera los errores cometdos en el proceso de pesada debdos a la varabldad de las condcones ambentales y al propo analsta y se calcula utlzando la desvacón estándar, s ( m ), de las n meddas obtendas al pesar la masa patrón. El segundo componente consdera la ncertdumbre debda a la resolucón, res, de la balanza. El segundo térmno de la Ec. consdera la ncertdumbre de la masa patrón y se calcula utlzando la ncertdumbre expandda, U(m pat, ), proporconada por el fabrcante. Esta ncertdumbre se ha dvddo por porque, normalmente, el fabrcante la calcula utlzando un valor de k=. Fnalmente, c es la correccón calculada durante la calbracón. Este térmno debe nclurse s la correccón calculada es sgnfcatva ya que las futuras meddas hechas con la balanza calbrada no se corrgen por dcho valor. b) calbracón externa El cálculo de la ncertdumbre de calbracón es más sencllo s la calbracón la ha realzado otro laboratoro ya que se utlza la nformacón obtenda en el certfcado de calbracón. En este certfcado, debe fgurar el valor de la correccón obtenda, c, y su ncertdumbre asocada, U(c ), para cada uno de los puntos del campo de medda donde se ha realzado la calbracón de la balanza. Normalmente, el fabrcante proporcona una ncertdumbre expandda calculada con un valor de k=. Para obtener la ncertdumbre estándar, u(c ), debe dvdrse U(c ) por el valor de k=. Además, al gual que en la calbracón nterna, debe nclurse en la ncertdumbre de calbracón la propa correccón calculada cuando ésta sea sgnfcatva.. Incertdumbre de la medda de masa U( c ) ( calbracón ) c u = [4] Esta ncertdumbre depende de la precsón (condcones ambentales en las cuales se realza la medda) y de la resolucón de la balanza: res u( medda) = s( m ) [5] 4

5 La ncertdumbre debda a la precsón puede evaluarse a partr de la desvacón estándar, s ( m ), de las meddas de las masas patrón para cada punto y la resolucón de la balanza, res, vene especfcada por el fabrcante.. Derva de la balanza La ncertdumbre de la derva consdera dos componentes: 1) la ncertdumbre debda a que la balanza se va descalbrando con el paso del tempo, u(d cal ); y ) la ncertdumbre asocada al error sstemátco debdo a la dferenca entre la temperatura a la que se calbra la balanza (0ºC) y la temperatura a la que se pesa la muestra, u(d T ). cal ) u( T ) u ( derva) = u( d d [6] La ncertdumbre u(d cal ) puede obtenerse calculando la derva que tene la balanza entre dos calbracones sucesvas. Esta derva se calcula para cada punto de la calbracón como la dferenca, df, entre las correccones obtendas en ambas calbracones. La ncertdumbre u(d cal ) se calcula asumendo una dstrbucón rectangular: df u ( dcal) = [7] La ncertdumbre debda a la dferenca entre la temperatura en que se calbra la balanza y la temperatura en que se pesa la muestra debe calcularse para las dferentes masas en que se ha realzado la calbracón de la balanza con la sguente expresón: u( d T sen T mpat, ) = [8] donde sen es la derva de sensbldad debda a cambos de temperatura y vene dada en las especfcacones de la balanza, T es la dferenca máxma que puede haber entre la temperatura del laboratoro y la temperatura a la que se hace la calbracón de la balanza (0ºC) y m pat, es el valor de referenca de la masa patrón. S, por ejemplo, la temperatura del laboratoro puede tomar valores comprenddos entre ºC y 18ºC, el T sería el correspondente al máxmo ntervalo entre T cal T lab, es decr, ºC - 0ºC = ºC. Combnacón Una vez que en la etapa de cuantfcacón se han calculado todas las fuentes de ncertdumbre, éstas deben combnarse aplcando la ley de propagacón de errores a la expresón propuesta en la etapa de especfcacón (ecuacón 1). De esta forma, se obtene una ncertdumbre estándar combnada, u, asocada al peso de una muestra problema. 5

6 Calbracón de la balanza Medda de masa Derva de la balanza u = s res n U( m pat, ) res c s df ( sen T m pat, ) Fgura. Expresón para calcular la ncertdumbre de la masa de una muestra. La Fgura muestra la expresón para calcular la ncertdumbre total de la masa de una muestra. Se observa que esta expresón es la suma de los tres componentes de ncertdumbre dentfcados durante la etapa de dentfcacón: 1) Calbracón de la balanza; ) medda de masa; y ) derva de la balanza. La ncertdumbre de calbracón está calculada asumendo que la balanza se calbra nternamente. Se observa, a partr de la ecuacón de la Fgura, que la ncertdumbre estándar asocada a la medda de una masa, u, depende del valor de la propa masa medda, a través de los dferentes térmnos que contenen el subíndce. Dchos térmnos se han obtendo a partr de meddas sobre la masa patrón de masa. El últmo paso, consste en calcular la ncertdumbre total expandda, U. Para ello, debe multplcarse la ncertdumbre estándar por un factor de cobertura, k: U = k u [7] Normalmente, k es gual a. De esta forma, hay aproxmadamente un 95% de probabldad de que el ntervalo masa ± U contenga la masa verdadera de la muestra problema. Como se ha dcho anterormente, la ncertdumbre debe calcularse para cada punto donde se realza la calbracón de la balanza. Para asgnar la ncertdumbre de la masa de una muestra problema hay dos posbldades: 1) asgnar a la muestra problema el valor de ncertdumbre del punto de calbracón más próxmo a la masa de la muestra problema; y ) asgnar a todas las muestras la ncertdumbre mayor calculada, ndependentemente de la masa de la muestra problema. Conclusones En el presente artículo hemos abordado el cálculo de la ncertdumbre del peso de una muestra problema. Para ello, se ha utlzado la metodología propuesta por la ISO que consste en dentfcar, cuantfcar y combnar cada uno de los componentes de ncertdumbre. Se ha vsto que hay tres componentes de ncertdumbre: la ncertdumbre de la calbracón, la ncertdumbre del proceso de pesada de la 6

7 muestra problema y la derva de la balanza. Los dos prmeros térmnos de ncertdumbre pueden obtenerse a partr de la nformacón obtenda en la calbracón mentras que el tercer térmno puede obtenerse utlzando la nformacón de las especfcacones de la balanza. La ncertdumbre debe calcularse en cada uno de los puntos del campo de medda donde se ha realzado la calbracón de la balanza. Una forma senclla de asgnar la ncertdumbre de la masa de una muestra problema es asgnándole la ncertdumbre mayor calculada. En el caso de que se requeran ncertdumbres menores, debe asgnarse la ncertdumbre del punto de calbracón más próxmo a la masa de la muestra problema. Referencas bblográfcas Alca Maroto, Rcard Boqué, Jord Ru, F. Xaver Rus Estrategas para el cálculo de la Incertdumbre Técncas de Laboratoro 70 (00) -7. Jord Ru, Rcard Boqué, Alca Maroto, F. Xaver Rus, Trazabldad en meddas físcas medante calbracón drecta: calbracón de una balanza Técncas de Laboratoro, 65 (001) Gude to the expresson of uncertanty n measurement. BIPM, IEC IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML, Gnebra, 199. (ISBN ) Mnstero de Industra y Energía, Sstema de Calbracón Industral (SCI), Proceso de calbracón M-00 para balanzas monoplato M-01.05, Madrd, Los autores agradecen todos los comentaros relaconados con los contendos de este artículo. Pueden drgrse, medante mensaje electrónco, a la dreccón: qumo@qumca.urv.es. Una versón en soporte electrónco de este artículo e nformacón adconal puede encontrarse en 7