2.4 SISTEMAS DE MEDICIÓN, TEMPERATURA, PRESIÓN, TORSIÓN Y ESFUERZOS MECÁNICOS 2.5 DIFERENCIA, VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE INSTRUMENTOS ANALÓGICOS Y DIGITALES PERLA GONZALEZ ANTONIO CANIZALES Julio Cesar Hernández Dariela Hernández

2.4 SISTEMAS DE MEDICIÓN, TEMPERATURA, PRESIÓN, TORSIÓN Y ESFUERZOS MECÁNICOS Sistema de medición La evaluación y definición de los sistemas de medición consiste en determinar la capacidad y estabilidad de los sistemas de medición por medio de estudios de estabilidad, repetitividad, reproducibilidad, linealidad y exactitud. Un sistema de medición es la colección de operaciones, procedimientos, instrumentos de medición y otro equipo, software y personal definido para signar un número a la característica que está siendo medida.

Importancia de las mediciones Las mediciones son muy importantes en toda empresa, pues con base en ellas se evalúa el desempeño de las mismas, de sus equipos, de su gente, y se toman decisiones importantes a veces costosas. Toda medida está sujeta a error. De acuerdo con la Norma Oficial Mexicana (NOM-198-SCFI-2018,), la calibración de un instrumento de medición se define como el conjunto de operaciones que establecen bajo condiciones especificadas, la relación entre los valores indicados por un instrumento de medición, o los valores representados por una medida materializada o un material de referencia, y los valores correspondientes de una cantidad obtenida por un patrón de referencia.

La misma norma define ajuste como la operación destinada a llevar un instrumento de medición a un estado de funcionamiento y exactitud adecuados para su uso. Es decir, de acuerdo con lo anterior, calibrar solamente significa comparar y no ajustar o arreglar el instrumento como pudiera creerse comúnmente. La calidad de un sistema de medición se caracteriza por sus propiedades estadísticas: insesgado y varianza cero (idealmente). La evaluación de un sistema de medición significa examinar su variación y los factores que la afectan.

PRECISIÓN Y EXACTITUD La siguiente figura muestra cuatro casos de disparos a un blanco fijo. Se detalla también la evaluación de los disparos desde el punto de vista de su precisión y exactitud. Precisión se refiere a la variación o dispersión de los disparos. Poca variación significa un buen grado de precisión. Exactitud se define con respecto a su cercanía (sesgo) con el centro del blanco. Mayor cercanía implica un buen grado de exactitud.

La figura 5.1 muestra que los disparos fueron muy precisos respecto a un mismo punto, mientras que no fueron exactos en el centro del blanco. La figura 5.2 muestra que los disparos tuvieron un mayor grado de exactitud con respecto al blanco pero nada precisos con respecto a un mismo punto. La figura 5.3 muestra disparos que no coinciden en ningún punto y están totalmente alejados del objetivo. La figura 5.4 muestra disparos concentrados en el blanco, lo cual los hace precisos y exactos.

Propiedades estadísticas de los sistemas de edición: Todos los sistemas de medición deben poseer las siguientes propiedades estadísticas: Estar en control estadístico (estabilidad estadística). Su variabilidad debe ser pequeña comparada con las especificaciones y con la variación del proceso. Los incrementos de medida no deben ser mayores a 1/10 de lo menor entre las especificaciones y con la variación del proceso (discriminación o resolución). Poco sesgo.

La evaluación de los sistemas de medición se efectúa a través de estudios de repetitividad, reproducibilidad (Gage R&R), exactitud, estabilidad y linealidad. Los usos de la evaluación son: 1. Aceptar equipo nuevo. 2. Comparar dos equipos entre sí. 3. Evaluar un calibrador sospechoso. 4. Evaluar un calibrador antes y después de repararlo. 5. Antes de implantar gráficos de control. 6. Cuando disminuya la variación del proceso. 7. De manera continua de acuerdo con la frecuencia de medición recomendada en los estudios.

Exactitud. La exactitud se puede definir como la diferencia entre el promedio de las mediciones hechas por un operario (VP) y el valor real (VR) obtenido con el máster (patrón o instrumento de medición usado para medir a los de uso diario). El porcentaje de error se define mediante: Linealidad Linealidad se define como la diferencia en exactitud (sesgo) entre el master y el promedio observado sobre todo el rango de operación del instrumento (gage). Los problemas de falta de linealidad pueden deberse a que el instrumento no está calibrado de manera correcta en los extremos de su rango de operación, existe error en las mediciones máximas y mínimas del master, el calibrador (instrumento de medición) está desgastado, y /o a que puede ser requerida una revisión del diseño de partes internas del calibrador.

El procedimiento para obtener la linealidad consiste en: 1. Tomar varias piezas que cubran el rango de operación del calibrador y medirlas con el master. 2. Medir cada pieza varias veces por un sólo operador. 3. Obtener el promedio de las mediciones y restarlo del valor del master de cada pieza (exactitud promedio). 4. Ajustar una línea de regresión y = ax + b, donde: a = pendiente, b = intersección con el eje y, x = medición del master, y = exactitud (sesgo) promedio.

Existen dos fases en la evaluación de los sistemas de medición: 1. Verificar si los sistemas de medición tienen las propiedades estadísticas necesarias para desarrollar su función. 2. Evaluar periódicamente los sistemas de medición con respecto a sus propiedades estadísticas. Esto es necesario aunque se lleven a cabo calibraciones o mantenimientos periódicos de los instrumentos, para determinar si ha habido o no una degradación de los mismos con respecto al tiempo.

Estabilidad. La estabilidad es la cantidad de variación en exactitud sobre cierto periodo. Sin evaluar la estabilidad no es posible asegurar evaluaciones confiables sobre las demás propiedades estadísticas. La figura 5.7 muestra la definición gráfica de estabilidad. La manera de determinar la estabilidad es a través de un gráfico de control, generalmente medias y rangos. Interpretación: 1. Si existe una situación fuera de control en los rangos, significa que la repetitividad no es estable. 2. Si existe una situación fuera de control en las medias, significa que la exactitud ha cambiado. Es necesario encontrar las causas y corregir la situación. Si es debido a desgaste, hay que recalibrar el instrumento.

Repetitividad La repetitividad o precisión es la variación en las mediciones hechas por un sólo operador en la misma pieza y con el mismo instrumento de medición. Se define como la variación alrededor de la media. Esta variación debe ser pequeña con respecto a las especificaciones y a la variación del proceso. La definición gráfica de repetitividad se muestra en la figura 5.8 La repetitividad se puede presentar gracias a la presencia de suciedad, fricción, desajuste o desgaste.

Reproducibilidad La reproducibilidad se define como la variación entre las medias de las mediciones hechas por varios operarios con las mismas piezas y con el mismo instrumento de medición. La definición gráfica se muestra en la figura 5.9.

Estabilidad y capacidad. La estabilidad y la capacidad, que son las características requeridas por un sistema de medición, se componen a su vez de otros elementos. La estabilidad incluye la reproducibilidad, es decir, que las mediciones no deben cambiar por el efecto del tiempo o por cambios en operadores o en el medio. La capacidad, en cambio, necesita de sensibilidad, es decir, de repetibilidad (precisión) y exactitud (sesgo).

Temperatura La temperatura es la medida de la cantidad de energía térmica poseída por un objeto. Ya que la temperatura es una medida relativa, las escalas que se basan en puntos de referencia deben ser usadas para medir la temperatura con precisión. Hay tres escalas comúnmente usadas actualmente para medir la temperatura: la escala Fahrenheit (°F), la escala Celsius (°C), y la escala Kelvin (K). Cada una de estas escalas usa una serie de divisiones basadas en diferentes puntos de referencia

Presión En física, la presión (símbolo p) es una magnitud física escalar que mide la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie.

En determinadas aplicaciones la presión se mide no como la presión absoluta sino como la presión por encima de la presión atmosférica, denominándose presión relativa, presión normal, presión de gauge o presión manométrica. Consecuentemente, la presión absoluta es la presión atmosférica más la presión manométrica (presión que se mide con el manómetro). En el Sistema Internacional la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado. En el Sistema Inglés, la presión se mide en una unidad derivada que se denomina libra por pulgada cuadrada(pound per square inch) que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando en una pulgada cuadrada.

Unidades de medida, presión y sus factores de conversión La presión atmosférica media es de pascales (101,3 kPa), a nivel del mar, donde 1 Atm = 1,01325 bar = Pa = 1,033 kgf/cm² y 1 m.c.a = 9.81 kPa. Las obsoletas unidades manométricas de presión, como los milímetros de mercurio, están basadas en la presión ejercida por el peso de algún tipo estándar de fluido bajo cierta gravedad estándar. Las unidades de presión manométricas no deben ser utilizadas para propósitos científicos o técnicos, debido a la falta de repetitividad inherente a sus definiciones. También se utilizan los milímetros de columna de agua (mm c.d.a.).

Torsión Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de torsión cuando al menos en uno de sus extremos actúa una fuerza que hace rotar la pieza sobre su propio eje. Los ejemplos más típicos de torsión lo encontraremos en cualquier eje de elemento o maquina, y el mas cercano lo provocamos nosotros mismos cada día, cuando por ejemplo giras el pomo de una puerta.

Esfuerzos mecánicos Todos los cuerpos o piezas están sometidos a fuerzas o presiones que tienden a deformarlos y, por lo tanto, se les requiere un esfuerzo de resistencia para contrarrestar estas fuerzas y/o presiones. Las piezas, en general, están sometidas a varios tipos de esfuerzos simultáneos. Depende de su situación dentro de la estructura y de las fuerzas o presiones que actúen sobre ellas. Cuando una pieza está sometida a un solo esfuerzo, se dice que esta sometida a un esfuerzo puro.

Ejemplos de los esfuerzos mecánicos Flexión: un cuerpo esta sometido a un esfuerzo de flexión, cuando sobre el actúa una fuerza o un peso que produce una deformación a lo largo de su eje. En el caso de la madera, al flexar en exceso, llegaríamos al punto de rotura como en el dibujo 3. Para evitar esta rotura tendríamos que dimensionar la pieza considerando la fuerza que va a ejercer el peso sobre ella. El ejemplo típico de piezas de madera sometidas al esfuerzo de flexión son las vigas y las viguetas de una estructura de madera.

Compresión. Un cuerpo esta sometido a un esfuerzo de compresión, cuando, sobre el, actúa una fuerza que tiende a aplastarlo contra algo o cuando actúan dos fuerzas con direcciones opuestas, de manera que intenten oprimirlo.

Pandeo. Un cuerpo que sea alargado esta sometido a un esfuerzo de compresión vertical, cuando sobre el actúa una fuerza que tiende a aplastarlo contra el suelo. Las fuerzas que actúan en el pandeo son siempre paralelas a la dirección de las fibras de la madera. La rotura de las piezas sometidas a este esfuerzo se produce siempre en el tercio central de las mismas.

Tracción o tensión. Un cuerpo esta sometido a un esfuerzo de tracción, cuando sobre el actúan dos fuerzas con direcciones opuestas de manera que tienden a estirarlo. Al actuar las dos fuerzas en sentido contrario tienden a estirar el cuerpo produciendo una disminución de su sección en el tercio intermedio de la pieza. Cuando estiras una goma, por ejemplo, las estas sometiendo a un esfuerzo de tensión y, aunque no lo veas, en su parte central se esta produciendo un adelgazamiento de su sección original y según sea la tensión que ejerzas puedes provocar su rotura, precisamente por esta parte adelgazada.

Flexión pieza empotrada. Cuando una fuerza actúa sobre el extremo de una pieza y el otro esta fijo o empotrado en la obra. La fuerza que actúa sobre el extremo libre de la pieza de madera es siempre normal o perpendicular a la dirección de las fibras de la misma. Un ejemplo mas fácil de comprender este esfuerzo es si piensas lo que le ocurre al trampolín de una piscina cuando se salta en su extremo libre.

Cortadora (cizalladora). Un cuerpo esta sometido a un esfuerzo de cortadora cuando sobre el actúan dos fuerzas con direcciones opuestas, que intentan reducir su medida en la dirección de las mismas.

Escisión. Una pieza esta sometida al esfuerzo de escisión cuando una fuerza concentrada (afilada) actúa en el sentido longitudinal de sus fibras de madera. Esta fuerza tiende a separar las fibras de la madera rompiendo su cohesión. Actúa como si fuese una cuña que, a medida que se aprieta, aleja mas los dos planos que divide, hasta su total separación. A esta propiedad física de la madera se le denomina hendibilidad.

2.5 DIFERENCIA, VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE INSTRUMENTOS ANALÓGICOS Y DIGITALES Tipos de Instrumentos de medición En general los parámetros que caracterizan un fenómeno pueden clasificarse en Analógicos y Digitales, se dice que un parámetro es analógico cuando puede tomar todos los valores posibles en forma continua, por ejemplo: el voltaje de una batería, la intensidad de luz, la velocidad de un vehículo, la inclinación de un plano, etc. Por otra parte se dice que un parámetro es digital cuando solo puede tomar valores discretos, por ejemplo: el número de partículas emitidas por un material radioactivo en un segundo, el número de moléculas, en un volumen dado de cierto material, el número de revoluciones de un motor en un minuto, etc.

INSTRUMENTOS ANALOGICOS El término: Analógico Se refiere a las magnitudes o valores que varían con el tiempo en forma continua como la distancia y la temperatura, la velocidad, que podrían variar muy lento o muy rápido como un sistema de audio. En la vida cotidiana el tiempo se representa en forma analógica por relojes (de agujas), y en forma discreta (digital) por displays digitales.En la tecnología analógica es muy difícil almacenar, manipular, comparar, calcular y recuperar información con exactitud cuando esta ha sido guardada, en cambio en la tecnología digital (computadoras, por ejemplo), se pueden hacer tareas muy rápidamente, muy exactas, muy precisas y sin detenerse. La electrónica moderna usa electrónica digital para realizar muchas funciones que antes desempeñaba la electrónica analógica.

Ventajas a) Bajo Costo. b) En algunos casos no requieren de energía de alimentación. c) No requieren gran sofisticación. d) Presentan con facilidad las variaciones cualitativas de los parámetros para visualizar rápidamente si el valor aumenta o disminuye. e) Es sencillo adaptarlos a diferentes tipos de escalas no lineales. Desventajas a) Tienen poca resolución, típicamente no proporcionan más de 3 cifras. b) El error de paralaje limita la exactitud a ± 0.5% a plena escala en el mejor de los casos. c) Las lecturas se presentan a errores graves cuando el instrumento tiene varias escalas. d) La rapidez de lectura es baja, típicamente 1 lectura/ segundo. e) No pueden emplearse como parte de un sistema de procesamiento de datos de tipo digital.

INSTRUMENTOS DIGITALES El término: Digital Se refiere a cantidades discretas como la cantidad de personas en una sala, cantidad de libros en una biblioteca, cantidad de autos en una zona de estacionamiento, cantidad de productos en un supermercado, etc. Los Sistemas digitales tienen una alta importancia en la tecnología moderna, especialmente en la computación y sistemas de control automático. La tecnología digital se puede ver en diferentes ámbitos: Analógico y Digital. ¿Cuál es la diferencia? mecánico: llaves electromecánico: el relé/relay hidráulico neumático electrónico.Los dos últimos dominan la tecnología.

Ventajas a) Tienen alta resolución alcanzando en algunos casos más de 9 cifras en lecturas de frecuencia y una exactitud de % en mediciones de voltajes. b) No están sujetos al error de paralaje. c) Pueden eliminar la posibilidad de errores por confusión de escalas. d) Tienen una rapidez de lectura que puede superar las 1000 lecturas por segundo. e) Puede entregar información digital para procesamiento inmediato en computadora. Desventajas a) El costo es elevado. b) Son complejos en su construcción. c) Las escalas no lineales son difíciles de introducir. d) En todos los casos requieren de fuente de alimentación.

De las ventajas y desventajas anteriores puede observarse que para cada aplicación hay que evaluar en función de las necesidades específicas, cual tipo de instrumentos es el más adecuado, con esto se enfatiza que no siempre el instrumento digital es el más adecuado siendo en algunos casos contraproducente el uso del mismo. Los instrumentos digitales tienden a dar la impresión de ser muy exactos por su indicación concreta y sin ambigüedades, pero no hay que olvidar que si su calibración es deficiente, su exactitud puede ser tanta o más mala que la de un instrumento analógico.