UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Y CIENCIAS ATMOSFÉRICAS “PROCESO DE CALIBRACIÓN DE MULTÍMETROS DIGITALES (CASO LABORATORIO DE METROLOGIA DIVISIONAL CFE)” TESINA QUE PARA EVALUAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA EXPERIENCIA RECEPCIONAL (MEIF), (MEIF), DEL P.E. DE INGENIERÍA EN INSTRUMENTACIÓN INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA PRESENTA: DAVID ANDRADE GUTIÉRREZ
DIRECTOR DE TESINA: M.C. ÁNGEL EDUARDO GASCA HERRERA CO-DIRECTOR: M.C. JACINTO ENRIQUE PRETELIN CANELA
XALAPA ENRIQUEZ, VER.
2011
DEDICATORIA. La presente tesina se la dedico a mi familia que gracias a sus consejos y palabras de aliento crecí como persona. A mis padres y hermanos por su apoyo, confianza y amor. Gracias por ayudarme a cumplir mis objetivos como persona y estudiante.
A mi Pa: Por estar siempre a mi lado apoyándome y aconsejándome, además de brindarme los recursos necesarios.
A mi Ma: Por hacer de mi una mejor persona a través de sus consejos, enseñanzas y amor.
A Kari. Por prestarme su hija Lyn al no tener la mía y el ejemplo de terminar la carrera a pesar de lo que cuesta.
A Luis. Por estar siempre presente, brindándome apoyo y poniéndome una buena canción para acelerar el corazón.
A Lyn. Por darme alegrías, risas y más...
A Dios y la Virgencita. Por darme sabiduría, inteligencia, salud, fortaleza y todo lo demás a medida que lo necesito. ¡GRACIAS¡
A los Gutierritoz. Por enseñarme diversas cosas y creer en mi de distintas maneras.
A la Fam. Andrade. Por ser como son conmigo lo cual me ayudó a echarle ganas.
A Lulú. Porque te quiero dar un buen ejemplo…
DEDICATORIA. La presente tesina se la dedico a mi familia que gracias a sus consejos y palabras de aliento crecí como persona. A mis padres y hermanos por su apoyo, confianza y amor. Gracias por ayudarme a cumplir mis objetivos como persona y estudiante.
A mi Pa: Por estar siempre a mi lado apoyándome y aconsejándome, además de brindarme los recursos necesarios.
A mi Ma: Por hacer de mi una mejor persona a través de sus consejos, enseñanzas y amor.
A Kari. Por prestarme su hija Lyn al no tener la mía y el ejemplo de terminar la carrera a pesar de lo que cuesta.
A Luis. Por estar siempre presente, brindándome apoyo y poniéndome una buena canción para acelerar el corazón.
A Lyn. Por darme alegrías, risas y más...
A Dios y la Virgencita. Por darme sabiduría, inteligencia, salud, fortaleza y todo lo demás a medida que lo necesito. ¡GRACIAS¡
A los Gutierritoz. Por enseñarme diversas cosas y creer en mi de distintas maneras.
A la Fam. Andrade. Por ser como son conmigo lo cual me ayudó a echarle ganas.
A Lulú. Porque te quiero dar un buen ejemplo…
Agradezco: M.C. ÁNGEL EDUARDO GASCA HERRERA M.C. JACINTO ENRIQUE PRETELIN CANELA M.C. José Alfonso Domínguez Chávez L.I.E. Jesús Darío Paniagua Quiroga Dr. Agustín Gallardo Del Ángel Al Laboratorio de Metrología División Oriente CFE
INDICE Pág. INTRODUCCIÓN.
1
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES DE LA METROLOGIA.
4
1.1
Metrología.
5
1.2
Mediciones.
5
1.3
Magnitudes y Unidades.
6
1.4
Repetibilidad.
10
1.5
Reproducibilidad.
10
1.6
Resolución.
11
1.7
Estabilidad.
11
1.8
Calibración.
11
1.9
Resultados de Medición.
12
1.10
Instrumentos de Medición.
15
1.11
Características de los Instrumentos de Medición.
15
1.12
Patrones.
17
1.13
Antecedentes Históricos de la Metrología.
19
CAPÍTULO 2. CALIBRACIÓN DE MULTÍMETROS DIGITALES.
23
2.1.
Tipos de multímetros digitales.
24
2.2
Anatomía de un multímetro digital.
27
2.3
Requisitos Generales de Calibración.
39
CAPITULO 3. ANÁLISIS DE INCERTIDUMBRE.
47
3.1
¿Qué es la Incertidumbre?
49
3.2
Fuentes de Incertidumbre.
49
3.3
Componentes de Incertidumbre.
50
3.4
Proceso de estimación de la Incertidumbre.
51
CAPITULO 4. PRUEBAS Y RESULTADOS.
63
4.1
El proceso de Calibración.
64
4.2
Desarrollo del Procedimiento.
65
4.3
Formato e Instrucciones del programa MET/CAL.
68
4.4
Pruebas.
79
4.5
Método de Calibración y Resultados
83
CONCLUSIONES. BIBLIOGRAFÍA.
96
98
INTRODUCCIÓN.
1
El proceso de calibración de multímetros digitales, se implementa, como una respuesta a la necesidad de cumplir con lo establecido, en primer lugar, en el decreto que establece la “Ley Federal sobre Metrología y Normalización” [1], donde se menciona el “establecimiento de la obligatoriedad de la medición en
servicios comerciales” así como “instituir el sistema nacional de calibración”. En este trabajo, se presenta la calibración con los lineamientos establecidos basándose en la “NMX -EC-17025-IMNC-2006 Requisitos generales para la competencia de los laboratorios de ensayo y de calibración” [2], esta nos dará
pauta para los procesos técnicos y administrativos. La única forma para saber si una lectura es correcta, es si el instrumento está calibrado adecuadamente por personal capacitado, con un patrón de referencia reconocido y que este patrón sea trazable a los patrones nacionales mantenidos por el Centro Nacional de Metrología, más conocido como el CENAM [3]. En este trabajo se abordan los conceptos básicos de la metrología y calibración, abordando datos históricos, términos claves y vocabulario apropiado, se menciona el método de comparación directa utilizado para la calibración de multímetros digitales, agregado a principios de medición, métodos de medición y procedimientos de medición. También se detalla de forma general, los lineamientos para estimar el cálculo de incertidumbres de medición, definiendo los principales términos y aclarando algunos puntos donde se pueda generar confusión, basándome en el modelo matemático el cual le dará lugar a una distribución llamada T de Student que es una distribución de probabilidad que surge del problema de estimar la media de una población normalmente distribuida cuando el tamaño de la muestra es pequeño, la cual refleja las limitaciones de la información disponible debidas al número finito de mediciones. Por último se brinda una breve introducción al programa MetCal, partiendo del formato e instrucciones, para poder entenderlo e interpretarlo. 2
Llegando a los resultados obtenidos de una calibración con el programa MetCal de Fluke, el procedimiento para llevarla a cabo, instructivo para calibrar y los documentos que involucran a esta con sugerencias de carácter técnico.
3
CAPÍTULO I. ANTECEDENTES DE LA METROLOGÍA.
4
1.1 Metrología. La metrología incluye todos los aspectos teóricos y prácticos relacionados con las mediciones; cualquiera que sea su incertidumbre, en cualquiera que sea el campo de la ciencia y de la tecnología [4].
1.2 Mediciones.
Medición.
Es el conjunto de operaciones que tienen por objeto determinar el valor de una magnitud [4].
Principio de medición.
Base científica de una medición.
¿Qué es un Método de medición?
Es una secuencia lógica de las operaciones, descritas de manera genérica, utilizada en la ejecución de las mediciones. Los métodos de medición pueden ser calificados en varias formas: - Método de substitución; - Método diferencial; - Método nulo o de cero.
Procedimiento de medición.
Conjunto de operaciones, descritas específicamente, para realizar mediciones particulares de acuerdo a un método dado. Un procedimiento de medición es usualmente descrito en un documento y proporciona suficientes detalles para que un operador pueda realizar una medición sin necesitar más información.
5
Mensurando.
Magnitud particular sujeta a medición. La especificación de un mensurando puede requerir indicaciones acerca de magnitudes tales como tensión eléctrica, la corriente eléctrica y la temperatura.
Magnitud de influencia.
Magnitud que no es el mensurando pero que afecta al resultado de la medición.
Señal de medición.
Magnitud que representa al mensurando y con el cual está funcionalmente relacionado. La señal de entrada a un sistema de medición puede ser llamada el "estímulo", la señal de salida puede ser llamada "respuesta".
1.3 Magnitudes y Unidades.
Magnitud medible.
Atributo de un fenómeno, cuerpo o substancia que es susceptible de ser diferenciado cualitativamente y determinado cuantitativamente. El término "magnitud" puede referirse a una magnitud en un sentido general o a una magnitud particular. Las magnitudes que pueden ser clasificadas, entre sí en orden creciente o decreciente, son llamadas magnitudes de la misma naturaleza. Las magnitudes de la misma naturaleza pueden ser agrupadas en su conjunto en categorías de magnitudes.
6
Los símbolos de las unidades se establecen en la norma NOM-008-SCFI-2002 Sistema General de Unidades de Medida [3].
Magnitud de base.
Una de las magnitudes que en un sistema de magnitudes, se aceptan por convención como funcionalmente independientes unas de otras.
Unidad de medida.
Magnitud particular, definida y adoptada por convención, con la cual se comparan las otras magnitudes de la misma naturaleza para expresar cuantitativamente su relación con esta magnitud. A las unidades de medida se les asignan nombres y símbolos por convención. Las unidades de magnitudes que tienen la misma dimensión pueden tener los mismos nombres y símbolos aún si las magnitudes no son de la misma naturaleza.
Símbolo de una unidad de medida.
Símbolo que por convención designa a una unidad de medida.
Sistema de unidades de medida.
Conjunto de unidades de base y de unidades derivadas, que se definen de acuerdo con reglas determinadas, para un sistema dado de magnitudes. Nota: Este sistema es el utilizado aquí en México.
Unidad de medida de base.
Unidad de medida de una magnitud de base en un sistema de magnitudes dado. En cualquier sistema de unidades coherente existe solamente una unidad de base para cada magnitud de base. 7
El Sistema General de Unidades de Medida actualmente se fundamenta sobre las siete unidades de base proporcionadas en la Tabla 1. 1.
Magnitud
Nombre
Símbolo
Longitud Masa Tiempo Corriente eléctrica Temperatura termodinámica Cantidad de sustancia Intensidad luminosa
metro kilogramo segundo ampere kelvin Mol candela
m Kg S A K mol Cd
Tabla 1.1 Las 7 unidades base.
Unidad (de medida) derivado.
Unidad de medida de una magnitud derivada en un sistema de magnitudes dado. Algunas unidades derivadas tienen nombres y símbolos especiales; ver en la tabla 1.2, del Sistema General de Unidades de Medida:
Unidades derivadas del Magnitud Sistema General de Unidades de Medida Nombre Símbolo Fuerza Newton N Energía Joule J Presión Pascal Pa Tabla 1.2 Magnitudes Derivadas.
Múltiplo de una unidad de medida.
Unidad de medida más grande formada a partir de una unidad dada de acuerdo a un escalonamiento convencional. En tabla 1.3 se presenta el nombre, símbolo y valor de los principales múltiplos.
Nombre Yotta Zetta Exa Peta Tera Giga Mega Kilo Hecto Deca
Símbolo Y Z E P T G M K H Da
Valor 10 = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 1021 = 1 000 000 000 000 000 000 000 1018 = 1 000 000 000 000 000 000 10 = 1 000 000 000 000 000 1012 = 1 000 000 000 000 10 = 1 000 000 000 10 = 1 000 000 103 = 1 000 102 = 100 10 = 10 Tabla 1.3 Múltiplos.
8
Submúltiplo de una unidad de medida.
Unidad de medida más pequeña formada de una unidad dada de acuerdo a escalonamiento convencional. En tabla 1.4 se presenta el nombre, símbolo y valor de los principales submúltiplos.
Nombre Deci Centi Mili Micro Nano Pico Femto Atto Zepto Yocto
Símbolo D C M µ n P F A Z Y
Valor
-
10 = 0,1 10- = 0,01 10-3 = 0,001 10- = 0,000 001 10- = 0,000 000 001 10-12 = 0,000 000 000 001 10- = 0,000 000 000 000 001 10- = 0,000 000 000 000 000 001 10-21 = 0,000 000 000 000 000 000 001 10- = 0,000 000 000 000 000 000 000 001 Tabla 1.4 Submúltiplos.
Valor de una magnitud.
Expresión cuantitativa de una magnitud particular, expresada generalmente en la forma de una unidad de medida multiplicada por un número. El valor de una magnitud puede ser positivo, negativo o cero.
Valor verdadero de una magnitud.
Valor compatible con la definición de una magnitud particular dada. Es un valor que se obtendría por una medición perfecta. Los valores verdaderos son por naturaleza indeterminados [4]. El artículo indefinido "un" más que el artículo definido “el" se utiliza conjuntamente con el "valor verdadero” porque puede haber varios valores
compatibles con la definición de una magnitud particular dada.
Valor convencionalmente verdadero de una magnitud.
Valor atribuido a una magnitud particular y aceptado, algunas veces por convención, como un valor que tiene una incertidumbre apropiada para un propósito dado. 9
1.4 Repetibilidad. Proximidad de la concordancia entre los resultados de las mediciones sucesivas del mismo mensurando, con las mediciones realizadas con la aplicación de la totalidad de las mismas condiciones [4]. Las condiciones de repetibilidad comprenden: - el mismo procedimiento de medición; - el mismo observador; - el mismo instrumento de medición utilizado en las mismas condiciones; - el mismo lugar; - la repetición dentro de un período corto de tiempo.
1.5 Reproducibilidad. Proximidad de la concordancia entre los resultados de las mediciones del mismo mensurando, con las mediciones realizadas haciendo variar las condiciones de medición [4]. Las condiciones que se pueden variar pueden ser: - el principio de medición; - el método de medición; - el observador; - el instrumento de medición; - el patrón de referencia; - el lugar; - las condiciones de uso; - el tiempo.
10
1.6 Resolución. La mínima diferencia de indicación de un dispositivo indicador, que puede ser percibido de manera significativa. Para un dispositivo Indicador digital, es la diferencia de indicación que corresponde al cambio de una unidad de la cifra menos significativa [4].
1.7
Estabilidad.
Aptitud de un instrumento de medición para conservar sus características metrológicas durante el transcurso del tiempo. Cuando se considera la estabilidad en función de una magnitud diferente del tiempo, es necesario mencionarlo explícitamente. [4] La estabilidad se puede expresar cuantitativamente de varias maneras, por ejemplo: -Por el tiempo durante el cual una característica metrológica cambia de una cantidad dada, o -Por la variación de una característica durante el transcurso de un tiempo dado.
1.8 Calibración. Conjunto de operaciones que establecen, en condiciones especificadas, la relación entre los valores de las magnitudes indicadas por un instrumento de medición o un sistema de medición, o los valores representados por una medida
materializada
o
un
material
de
referencia,
correspondientes de la magnitud realizada por los patrones.
11
y
los
valores
El resultado de una calibración permite atribuir a las indicaciones los valores correspondientes del mensurando, o determinar las correcciones para aplicarlas a las indicaciones [4]. Una calibración también puede servir para determinar otras propiedades metrológicas tales como los efectos de magnitudes de inf luencia. El resultado de una calibración puede ser consignado en un documento algunas veces llamado certificado de calibración o informe de calibración.
1.9 Resultados de Medición.
Resultado de una medición.
Valor atribuido a un mensurando, obtenido por medición. Cuando se da un resultado, se indicará claramente si se refiere: - a la indicación; - al resultado no corregido; - al resultado corregido; El resultado es un promedio obtenido a partir de varias mediciones [2]. Una expresión completa del resultado de una medición Incluye Información sobre la incertidumbre de la medición.
Resultado no corregido.
Resultado de una medición antes de la corrección del error sistemático. Llamado encontrado, en los informes de calibración [3] .
Resultado corregido.
Resultado de una medición después de la corrección del error sistemático. Llamado dejado, en los informes de calibración [3]. 12
Exactitud de medición.
Proximidad de la concordancia entre el resultado de una medición y un valor verdadero del mensurando. El concepto de (exactitud) es cualitativo. El término (precisión) no debe utilizarse por exactitud.
Desviación estándar experimental.
Para una serie n de mediciones del mismo mensurando, la magnitud s caracterizando la dispersión de los resultados, dada por la ecuación 1 [4]:
Siendo
Ecuación 1.1
el resultado de la medición y el promedio aritmético de los
resultados considerados. Notas
- Considerando la serie de valores como una muestra de una distribución, es un estimador sin sesgo de la media, y
es un estimador sin sesgo de la
varianza δ de esta distribución.
- La expresión es una estimación de la desviación estándar de la distribución de X y se le llama desviación estándar experimental de la media. - La desviación estándar experimental de la media es llamada algunas veces, equivocadamente, error de la media.
Incertidumbre de medición.
Parámetro asociado al resultado de una medición, que caracteriza la dispersión de los valores que podrían razonablemente, ser atribuidos al mensurando [7]. 13
Error de medición.
Resultado de una medición menos un valor verdadero del mensurando [ 4]. Notas - Puesto que un valor verdadero no puede ser determinado, en la práctica se utiliza un valor convencionalmente verdadero. - Cuando es necesario hacer la distinción entre (el error) y (el error relativo), el primero a veces es llamado (error absoluto de medición). No se le debe confundir con el valor absoluto del error, el cual es el módulo del error.
Error relativo.
Es el error de medición dividido entre un valor verdadero del mensurando [4]. Nota - Puesto que un valor verdadero no puede ser determinado, en la práctica se utiliza un valor convencionalmente verdadero.
Error sistemático.
Media que resultaría de un número infinito de mediciones del mismo mensurando, efectuadas bajo condiciones de repetibilidad, menos un valor verdadero del mensurando. El error sistemático es igual al error menos el error aleatorio. Como el valor verdadero, el error sistemático y sus causas no pueden ser conocidos completamente.
14
1.10 Instrumentos de Medición.
Instrumento de medición.
Dispositivo destinado a ser utilizado para hacer mediciones, sólo o asociado a uno o varios dispositivos anexos [4].
Escala de un instrumento de medición.
Conjunto ordenado de marcas con toda numeración asociada, formando parte de un dispositivo indicador de un instrumento de medición.
Alcance de indicación.
Conjunto de valores limitados por las indicaciones extremas. El alcance de las Indicaciones está expresado en la unidad de indicación, cualquiera que sea la unidad del mensurando, y está normalmente especificado por sus límites inferior y superior.
Ajuste de un Instrumento de medición.
Operación destinada a llevar a un instrumento de medición a un estado de funcionamiento conveniente para su uso.
1.11 Características de los Instrumentos de Medición.
Intervalo de medición.
Módulo de la diferencia entre los dos límites de un alcance nominal. En ciertos campos científicos, a la diferencia entre el valor más grande y el más pequeño se le llama intervalo.
Valor nominal.
Valor redondeado o aproximado de una característica del Instrumento de medición que sirve de guía para su uso. 15
Alcance de medición.
Conjunto de valores del mensurando para los cuales se supone que el error de un instrumento de medición se encuentra entre límites especificados. El error se determina en referencia a un valor convencionalmente verdadero.
Condiciones de referencia.
Condiciones de uso prescritas para las pruebas de funcionamiento de un instrumento de medición o para la intercomparación de resultados de mediciones. Las condiciones de referencia comprenden, generalmente, valores de referencia o intervalos de referencia para las magnitudes de influencia que afectan al instrumento de medición.
Sensibilidad.
Cociente del incremento de la repuesta de un instrumento de medición entre el incremento correspondiente de la señal de entrada. El valor de la sensibilidad depende del valor de la señal de entrada.
Deriva.
Variación lenta de una característica metrológica de un instrumento de medición.
Exactitud de un instrumento de medición.
Aptitud de un instrumento de medición de dar respuestas próximas a un valor verdadero. El concepto de "exactitud" es cualitativo.
16
Clase de exactitud.
Clase de instrumentos de medición que satisfacen ciertos requisitos metrológicos destinados a conservar los errores dentro de los límites especificados. Una clase de exactitud es, habitualmente, indicada por un número o símbolo adoptado por convención y llamado índice de clase.
Error de indicación de un instrumento de medición.
Indicación de un instrumento de medición menos un valor verdadero de la magnitud de entrada correspondiente [4]. Puesto que un valor verdadero no puede ser determinado, se utiliza en la práctica un valor convencionalmente verdadero Este concepto se aplica, principalmente, cuando se compara el instrumento a un patrón de referencia. Para una medida materializada, la indicación es el valor que le es asignado.
Errores máximos tolerados de un instrumento de medición.
Límites de los errores tolerados (de un instrumento de medición), valores extremos de un error, tolerados por las especificaciones, reglamentos, y otros para un instrumento de medición dado.
1.12 Patrones. En la ciencia y la tecnología, la palabra inglesa "standard" tiene dos acepciones diferentes: como documento técnico normativo ampliamente adoptado, especificación, recomendación técnica o documento similar y también como "patrón". La segunda acepción es la que se utiliza en el presente punto [4].
17
Patrón.
Medida materializada, instrumento de medición, material de referencia o sistema de medición destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o uno o varios valores de una magnitud para servir de referencia.
Patrón Internacional.
Patrón reconocido por un acuerdo internacional para servir internacionalmente como la base para la asignación de valores a los otros patrones de la magnitud de interés.
Patrón nacional.
Patrón reconocido por una decisión nacional, en un país, para servir como la base para la asignación de valores a otros patrones de la magnitud de interés.
Patrón primario.
Patrón que es designado o ampliamente reconocido, que presenta las más altas cualidades metrológicas y cuyo valor es establecido sin referirse a otros patrones de la misma magnitud. El concepto patrón primario es válido tanto para las magnitudes de base como para las magnitudes derivadas.
Patrón secundario.
Patrón cuyo valor es establecido por comparación con un patrón primario de la misma magnitud.
Patrón de referencia.
Patrón, en general, de la más alta calidad metrológica disponible en un lugar dado o en una organización dada, de donde derivan las mediciones que ahí son realizadas.
18
Patrón de trabajo.
Patrón utilizado comúnmente para calibrar o controlar medidas materializadas, de los instrumentos de medición o de los materiales de referencia. Un patrón de trabajo, habitualmente se calibra con respecto a un patrón de referencia. Un patrón de trabajo utilizado comúnmente para asegurar que las mediciones se llevan a cabo correctamente es llamado patrón de control.
Trazabilidad.
Propiedad del resultado de una medición o del valor de un patrón, tal que esta pueda ser relacionada con referencias determinadas, generalmente patrones nacionales o internacionales, por medio de una cadena ininterrumpida de comparaciones teniendo todas incertidumbres determinadas. La cadena ininterrumpida de comparaciones es llamada cadena de trazabilidad.
1.13 Antecedentes históricos de la Metrología. A continuación se presenta una reseña histórica de las etapas de la Metrología en nuestro país [5]: 1521 Cae la gran Tenochtitlán y con ello se vio truncada violentamente el sistema de medidas de los aztecas, antiguos mexicanos. 1525 Ordenanza de Hernán Cortes sobre el fielazgo y los patrones de verificación. 1536 El Virrey Don Antonio de Mendoza proclama el uso de las medidas españolas: la vara y la libra castellanas. 1792 Finaliza la revolución francesa y se crea el Sistema Métrico Decimal.
19
1856 Primera circular que obliga el uso del sistema métrico decimal francés a los ingenieros de caminos. Época de Don Ignacio Comonfort. 1857 Primer decreto establecido de la Dirección General de Pesas y Medidas, primer antecedente de la Dirección General de Normas (DGN). 1862 Decreto de Maximiliano de Habsburgo sobre el uso obligatorio del sistema métrico. 1865 Decreto de Benito Juárez también sobre la obligatoriedad del sistema métrico. 1875 Convención del metro. Creación de la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM), Convenio Internacional de Pesos y Medidas (CIPM) y la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM). México no asiste por estar rotas las relaciones con Francia. 1889 Primera reunión de la Conferencia General de Pesas y Medidas, en París. 1890 México finalmente se adhiere a la Convención del Metro. Época de Don Porfirio Díaz. 1892 Se recibe en México el kilogramo No. 21 de platino iridio. Primer patrón nacional. 1895 Se recibe en México el metro No. 25 de platino iridio. Patrón nacional de longitud. 1895 Ley de pesas y medidas. Se adopta el sistema métrico internacional. Época de Don Porfirio Díaz. 1900 Se depositan los patrones nacionales en la Secretaria de Fomento, Colonización e Industria, del gobierno mexicano. 20
1905 Ley sobre pesas y medidas. Época de Don Porfirio Díaz. 1910 Se inicia la construcción del edificio del Departamento de Pesas y Medidas en la ciudad de México, en plena revolución mexicana. Se trasladan los patrones nacionales y se adquieren masivamente los primeros equipos para un laboratorio de metrología eléctrica. Algunos de ellos actualmente en el museo del CENAM. 1927 México ratifica la adhesión a la Convención del Metro. Época de Plutarco Elías Calles. 1928 Ley sobre pesas y medidas. Época de Plutarco Elías Calles. 1940 Segunda Guerra Mundial. Se construye el laboratorio de metrología del Departamento de Pesas y Medidas y se instala en Tecamachalco, D.F. 1945 Ley de Normas Industriales. El antiguo Departamento de Pesas y Medidas se transforma en la actual DGN. 1961 Ley General de Normas y de pesas y Medidas. Época de Adolfo López Mateos. Se inicia el manejo de la normalización integral. 1980 Se instituye el Sistema Nacional de Calibración (SNC), fundamentado en un laboratorio primario nacional, primer antecedente legal del CENAM. Se instituye el Sistema Nacional de Acreditamiento de Laboratorios de Pruebas (SINALP). Decretos de José López Portillo. 1984 El proyecto CENAM se traslada al Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional (IPN). 1985 El temblor en la Ciudad de México. Se rescatan de los escombros de la Secretaria de Comercio, la caja fuerte conteniendo los patrones nacionales de masa y longitud. 21
1988 Ley Federal sobre Metrología y Normalización. Época de Miguel de la Madrid Hurtado. Se institucionaliza y se eleva a rango de ley, el CENAM. 1992 Ley federal sobre Metrología Normalización. Época de Carlos Salinas de Gortari. 1994 El CENAM se inaugura e inicia formalmente sus operaciones. 1996 Se logra la transferencia del patrón nacional histórico, de masa, de platino iridio, a patrones de acero inoxidable. 1997 Reformas a la Ley Federal sobre Metrología y Normalización. Época de Ernesto Zedillo Ponce de León. 1999 Se publica el reglamento de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización. Época de Ernesto Zedillo Ponce de León.
22
CAPÍTULO II. CALIBRACIÓN DE MULTÍMETROS DIGITALES.
23
Los multímetros digitales (por sus siglas en ingles DMMs) han evolucionado a partir de los voltímetros digitales de sólo tensión (por sus siglas en ingles DVMs), que se introdujeron por primera vez a mediados de la década de 1950. Actualmente los multímetros digitales tienen más rangos, más funciones y mayor exactitud. En este capítulo se analizan los distintos tipos de multímetros digitales que se utilizan comúnmente en la industria, y sus características en relación a su calibración. Algunos detalles de los circuitos dentro de multímetros digitales se tratan de presentar con una imagen más clara de sus necesidades de calibración. La calibración de multímetros digitales se ha hecho menos compleja con el uso de calibradores multifuncionales (MFCs) modernos. Anteriormente, los metrólogos tenían que montar un conjunto de calibradores para una sola función (por ejemplo, Volts cd y Amperes). Esto dio lugar a configuraciones complicadas que requerían un alto grado de habilidad y una mayor probabilidad de cometer errores. Los MFCs modernos han facilitado enormemente el proceso de calibración de DMM. Suelen ser controlados a través de un bus IEEE-488 [6] que los hace ideales para el control de computadoras personales con software disponible comercialmente, tales como el software MET/CAL de Fluke para la calibración. Estos tipos de sistemas de calibración modernos han mejorado mucho la productividad personal y la uniformidad de la calibración,
siendo menos
propensos a errores y equivocaciones por parte del personal de calibración.
2.1. Tipos de multímetros digitales. Los multímetros digitales suelen mostrar la cantidad medida en sus pantallas digitales. Sin embargo, el método de detección de magnitudes eléctricas puede alterar su respuesta a partir del valor calibrado. 24
Por lo tanto, es importante que el metrólogo deba entender las características del DMM para llevar a cabo una calibración competente. De la amplia variedad de multímetros digitales en el mercado, los tres más comunes son: • DMMs laboratorio • DMMs de Banco • DMMs de mano
Multímetros digitales de laboratorio.
Los DMM de laboratorio son por lo general de cinco funciones los cuales pueden medir: resistencia, tensión directa o alterna y corriente directa o alterna. Se caracterizan por ofrecer el más alto nivel de exactitud y resolución, y puede aproximarse a la exactitud del MFC. Mostrando hasta 8½ dígitos en sus pantallas y con frecuencia se calibra automáticamente. Estos multímetros digitales utilizan técnicas similares para medir la tensión continua, corriente continua y resistencia. Sin embargo, no necesariamente se utilizan los mismos principios de operación para medir la tensión alterna y corriente alterna. El DMM moderno de laboratorio hace uso de componentes como los chips de memoria del microprocesador y la computadora que les permite realizar complejos cálculos matemáticos, incluyendo el almacenamiento y todas las correcciones en todas las funciones y las escalas de un multímetro digital, eliminando así la necesidad de abrir el multímetro bajo calibración y así físicamente hacer los ajustes correctivos.
Multímetros digitales de Banco.
DMMs de Banco suelen medir las mismas cinco funciones como multímetros digitales de laboratorio, pero con menos exactitud y resolución (4½ o 5½ dígitos). Pueden o no pueden tener un bus IEEE-488 o interfaz RS232 [6]. Si no se instala la interfaz, son calibrados de forma manual. 25
En algunos casos, una calibración manual sólo consiste en seleccionar el rango, la función y la aplicación del estímulo nominal al que se ajusta el DMM. De lo contrario, la respuesta del DMM se calibra mediante el ajuste de los potenciómetros, reóstatos y condensadores variables. Estos multímetros digitales también utilizan sofisticados componentes y circuitos complejos como el DMM de laboratorio. En muchos laboratorios de calibración, la mayor parte de la carga de trabajo se compone de banco de multímetros digitales, lo que les da crédito a la calibración automática, circuito cerrado, controlado por un PC con MET/CAL.
Multímetros digitales de mano.
Los DMMS de mano son la versión más utilizada del multímetro digital. Son unidades multifuncionales que incluyen las cinco funciones eléctricas y funciones adicionales tales como la frecuencia, la continuidad, prueba de diodos, lectura del voltaje pico y retención de lecturas en memoria, temperatura, capacitancia, y la medición de forma de onda. Estas unidades suelen tener una pantalla de 3½ y 4½ dígitos y algunos también incluyen una lectura analógica y tonos audibles para las mediciones de continuidad. Tienden a ser utilizados en una amplia variedad de aplicaciones, en pruebas de circuitos muy sofisticados, para mantenimientos electrónicos y en uso de aficionados. Estos multímetros digitales tienden a ser pequeños, robustos, y funcionan con baterías. No tienen un interfaz de la computadora totalmente automática. Sin embargo, con el creciente énfasis en la calidad y el cumplimiento de los ISO 9000, los dispositivos de mano en el futuro, tendrán algún tipo de interfaz para la calibración para optimizar el costo de la propiedad y cooperación cumpliendo con los estándares de calidad. La calibración de equipos de mano no es un problema desde el punto de vista de la exactitud. 26
2.2 Anatomía de un multímetro digital.
Secciones funcionales de un multímetro digital.
Un multímetro digital es en realidad dos dispositivos integrados: la sección de medición y la sección de control. Como se muestra en la figura 2.1 [6].
Figura 2.1 Diagrama a Boques de un Multímetro Digital.
La sección de control se compone generalmente de un microprocesador y su circuitería de soporte. La sección de medición se compone de los circuitos de acondicionamiento analógico y un convertidor de analógico a digital (adc). La sección de control no requiere ningún ajuste de calibración, pero se verifica a menudo internamente durante el encendido del instrumento. La sección de medición sí requiere ajuste de calibración y verificación.
Convertidor de analógico a digital (ADC).
Cada entrada a un DMM es finalmente procesada por el ADC, el corazón de cualquier DMM. La finalidad del ADC es representar digitalmente una señal analógica. Actualmente opera por encima de un rango de ±200 mV para los 27
medidores menos exactos; los DMMs más exactos tienen el ADC operando por encima de un rango entre ±2V, o ±20V. Actualmente hay dos tipos principales del ADC el que aplica el principio de integración y el de aproximaciones sucesivas.
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ADC de integración.
El ADC de integración puede funcionar en doble rampa, multipendiente, o esquemas de equilibrio de carga. Debido a su diseño sencillo, así como su capacidad para ofrecer alta exactitud, los convertidores de integración aparecen en todo tipo de DMM desde el multímetro digitale de mano, hasta los sistemas de DMMs que son de precisiones de 8½ dígitos. La integración de ADC son bastante eficaz en el rechazo de ruido, ya que el integrador analógico funciona como un filtro de paso bajo. Un tipo muy básico de convertidor de integración es el convertidor de doble rampa. Como se muestra en la figura 2.2. En un convertidor de doble rampa, la entrada desconocida de V meas, se aplica a través de S1 a un integrador analógico por un período determinado de t iempo y, a continuación una referencia de tensión interna de cd V ref , de polaridad opuesta, se aplica al integrador a través de S 2 hasta que la salida del integrador llegue a cero otra vez. S 3 está cerrado para restablecer el convertidor entre los ciclos. La magnitud de la señal de entrada está representada por el intervalo de tiempo necesario para la integración. Una comparación rápida se utiliza para detectar la salida del integrador. El convertidor de doble pendiente, es un convertidor de voltaje a tiempo.
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Figura 2.2 Convertidor Básico de Doble Rampa.
Dado que los osciladores de cristal son bastante estables, la principal fuente de incertidumbre de calibración dentro de un convertidor de doble pendiente no es la base de tiempo, sino la referencia de voltaje cd. La incertidumbre de la referencia de tensión continua está directamente relacionada con la incertidumbre de la salida del ADC. Otras incertidumbres incluyen el cero o compensan la estabilidad del integrador, las propiedades de absorción dieléctrica del condensador de la integración, y las demoras análogas en el sistema general que dan lugar a errores de la sincronización.
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ADC aproximación sucesivas y el convertidor de R2.
Otro tipo común de ADC es de aproximaciones sucesivas. En el esquema de recirculación del residuo (R 2), la variación de aproximaciones sucesivas, ofrece alta velocidad y alta exactitud en muchos de los actuales DMMs populares. En combinación con filtros externos análogos y digitales, el convertidor de R 2 puede tener características de rechazo de ruido, comparables a los del convertidor de integración. El convertidor R2 se muestra en la Figura 2.3 [6].
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Figura 2.3 Convertidor de R2.
Una tensión cd de entrada desconocida, V meas, se compara con la salida del convertidor análogo digital (ADC). El ADC se configura para proporcionar una salida igual a 10 veces la diferencia entre la tensión entrada desconocida y el valor del dígito más significativo. Por ejemplo, si el desconocido es 9.83 volts, la salida del amplificador sería 8.3 volts. S3 se cierra de modo que la salida del ADC, o la tensión restante (8,3 volts en
este ejemplo), se almacena en C 1. Después de eso S 1 se abre para desconectar el amplificador de V meas; S2 está cerrado y al resto se le aplica tensión, o recircula de vuelta a la entrada. En este punto, el ciclo se repite. Una nueva tensión restante se genera y se almacena en el condensador de almacenamiento, C 2. Esto continúa hasta que la señal que se mide se convierte a digital con la resolución del convertidor. Los interruptores S2 , S3, S 4 y S5 son operados apropiadamente en estos ciclos. 30
A primera vista, puede parecer que mediante la medición de un dígito a la vez, el convertidor de R2 sacrifica la velocidad para la simplicidad del circuito. En la práctica real, el tiempo de conversión es de unos pocos milisegundos. Por otra parte, esta función básica ha sido integrada con éxito en un circuito integrado, que reduce la complejidad del circuito y ejecución en el tiempo. Las fuentes de incertidumbre de calibración en los convertidores R 2 son de tensión cd de referencia del adc, la linealidad de ADC, el desplazamiento y la ganancia del amplificador.
Circuitos de acondicionamiento de señal.
Los DMMs en tensión se utilizan para medir un amplio rango de tensiones de entrada. La salida de cd es una escala compatible con la entrada del ADC. En las funciones adicionales se utilizan circuitos de acondicionamiento de señal. Estos circuitos consisten en amplificadores, atenuadores y filtros para cada rango del DMM. Cada rango de escala de la señal de entrada hasta el nivel adecuado para el ADC. La calibración de cada rango corrige para los ceros y el aumento de las variaciones del amplificador y atenuadores. La mayoría de los filtros de DMM no requieren calibración por topologías de filtros por lo general tienen poco efecto sobre la incertidumbre.
Convertidores de tensión alterna.
La Figura 2.4 es el diagrama de bloques general de los convertidores de tensión alterna típica [6].
Figura 2.4 Circuito de Conversión de Tensión Alterna Típico de un DMM.
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El amplificador de voltaje de corriente alterna lleva el voltaje de entrada, a un nivel óptimo para introducirlo al convertidor de AC-DC. La salida de corriente continua del voltaje de la corriente alterna se aplica al ADC para su digitalización.
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Convertidores AC-DC de valor promedio.
Los convertidores de valor promedio, amplifican el nivel de tensión y convierten la señal a un nivel de tensión continua equivalente. Esto se logra con un rectificador operacional de buena exactitud. Véase la figura 2.5 [6].
Figura 2.5 Convertidor Rectificador de RMS.
La señal de tensión continua resultante es entonces digitalizada por el ADC. Por lo general, el valor promedio se convierte en el valor rms correspondiente multiplicándolo por una constante. La conversión se realiza con el supuesto de que la señal de entrada es una onda senoidal pura, de lo contrario, el factor de conversión no es correcto y la indicación es errónea. Para una onda senoidal pura, la fórmula de conversión es [6]:
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Ecuación 2.1
Convertidor de valor verdadero (Raíz cuadrática media o RMS).
La función de un convertidor de valor verdadero RMS es aceptar la señal de las terminales de entrada, a través de amplificadores de nivel, y la convierte en un valor de tensión continua proporcional al valor eficaz de la entrada. El valor verdadero RMS se obtiene matemáticamente, promediando el valor al cuadrado de la entrada, y obteniendo su raíz cuadrada [6].
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Ecuación 2.2
Donde:
= período. = un instante de tiempo comprendido entre y . = tensión instantánea en el tiempo . Hay tres técnicas principales que se utilizan para las conversiones ca-cd del valor verdadero eficaz los cuales son: • Sensor térmico. • Conversión analógica logarítmica/antilogarítmica. • Muestreo digital.
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Sensores térmicos.
Como se muestra en la figura 2.6 ilustra la versión del circuito que emplea el Fluke 8506A [6].
Figura 2.6 Circuito del Sensor Térmico.
En este convertidor, la salida del amplificador de rango se aplica a una resistencia que calienta la base del transistor en el lado izquierdo del sensor RMS. La corriente de colector del transistor se incrementa y desequilibra el amplificador diferencial representado por encima de los dos transistores del sensor. El amplificador diferencial suministra una corriente continua a través de la resistencia en el lado derecho del sensor. El calor en esta resistencia 33
aumenta la corriente de colector en el transistor de la derecha y restaura el equilibrio del amplificador diferencial. La caída de tensión cd a través de la resistencia de la derecha es proporcional a la caída del verdadero valor eficaz de voltaje ca a través de la resistencia del lado izquierdo y se convierte a digital por el ADC de los DMMs para mostrar en la pantalla. Dado que este método responde a la potencia disipada en las resistencias, responde al valor eficaz de todos los componentes de Fourier de la forma de onda aplicada, dentro del ancho de banda del amplificador.
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Cálculo analógico logarítmico / antilogarítmico.
La figura 2.7 muestra un ejemplo de cálculo analógico logarítmico / antilogaritmico [6].
Figura 2.7 Circuito Típico de Cálculo Logarítmico / Antilogaritmico.
La salida del amplificador es una representación de la tensión de entrada, ACVmeas. ACVmeas se aplica a la entrada del amplificador de valor absoluto. Los ciclos de entrada positivos y negativos se convierten en una corriente continua pulsante en el punto 1. (Los puntos de prueba están representados por los numeros en la figura 2.7.) Una tensión proporcional al cuadrado de la corriente de entrada es suministrada con el punto 2 por el amplificador de cuadratura. Una corriente proporcional a la tensión en el punto 2 se suministra con el punto 3. La tensión de salida del integrador, V o, tiene un valor proporcional al nivel promedio de la corriente de cd pulsante, suministrada en el punto 3 del transistor Q3.
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Dado que la entrada de corriente en el punto 1 es una función directa de la tensión que se está midiendo, y la tensión de salida es una función directa del promedio cuadrado de la corriente en el punto 1, el DMM muestra el valor digitalizado de Vo, como el valor eficaz verdadero de la tensión de entrada.
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Muestreo digital.
La figura 2.8 muestra un ejemplo de la técnica de muestreo (tal como se utiliza en el HP 3458A) [6].
Figura 2.8 Técnica de muestreo
En esta técnica, las porciones de la forma de onda de entrada se muestran en intervalos cortos de tiempo en relación con el período de la onda. Cada muestra es rápidamente digitalizada por un ADC de respuesta rápida. Su valor se eleva al cuadrado por el microprocesador el DMM y el resultado almacenado en la memoria del DMM. Cuando un número suficiente de muestras se han tomado, el microprocesador del DMM toma la raíz cuadrada del valor promedio de los cuadrados. Matemáticamente, el valor eficaz de las muestras en la técnica de muestreo se expresa como [6]:
Ecuación 2.3
Donde:
= número total de muestras = tensión de la muestra = número de la muestra 35
Este método es muy exacto y veloz para medir tensión de baja frecuencia. Su exactitud en frecuencias más altas se ve limitado por la tasa de muestreo del DMMs. En general, la tasa de muestreo de los DMMs debe ser al doble o un múltiplo entero mayor de la frecuencia de la señal.
Convertidores de Resistencia.
Dos diferentes esquemas de conversión de resistencia se emplean comúnmente en multímetros digitales de hoy en día: el método de corriente constante y el método de relación.
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Método de conversión de corriente constante de la resistencia.
En el método de corriente constante, que se ilustra en la Figura 2.9 [6], se tienen incorporadas en el DMM, fuentes de corriente constante, desde 1 mA (para el rango de 200Ω) para 100nA o menos (para el rango de 20 MΩ). Esta fuente de corriente constante se aplica a través R meas, la resistencia desconocida, y el circuito amplificador de tensión del DMM amplifican y escalan la tensión de cd a través de R meas al nivel apropiado para el adc.
Figura 2.9 Método de medición de resistencia por corriente constante.
La fuente de corriente constante de alta exactitud, suministra una corriente, I, a través de R meas. La caída de tensión V, a través de R meas es proporcional a I*R meas. Esta tensión es escalada por el amplificador de tensión en el DMM, y su salida se aplica al ADC. Los circuitos de control en el DMM calculan y despliegan la resistencia [6], como: 36
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Ecuación 2.4
Método de conversión de relación de resistencia.
El método de la relación de la conversión de la resistencia, que se muestra en la figura 2.10 [6], es un método de uso frecuente con ADC ‟s de doble rampa (y doble rampa variante).
Figura 2.10 Medición por relación de resistencia.
Internamente, una corriente conocida aproximada es aplicada a través R meas, la resistencia desconocida que se conecta en serie con un resistor de referencia de valor conocido R std . Se forma un divisor de tensión simple. Ahora, el valor de la resistencia desconocida puede determinarse resolviendo [6]:
Ecuación 2.5
Donde: V meas= La tensión desconocida de ( R meas) V std = La tensión conocida de ( R std )
Este esquema se utiliza con convertidores de doble rampa, porque un convertidor de doble rampa funciona con valores de tensión de polaridad opuesta tomada de R meas y R std . La amplitud exacta de la corriente no es importante porque la relación de las resistencias se determina por la relación entre la caída de tensión. Sin embargo, la corriente debe mantenerse constante durante las dos mediciones de tensión. 37
La calibración de convertidores de resistencia, generalmente consta de ajuste de cero y ajuste de ganancia. Por ejemplo, para cada rango de resistencia de un DMM se realiza primero la corrección de cero, y después la de ganancia. El método de corrientes constantes tiene principalmente incertidumbres de ganancia. Estas son el resultado de errores de la fuente de corriente de exactitud y la ganancia del amplificador de detección de tensión continua. En los convertidores de resistencia, la incertidumbre de ganancia se debe a la inestabilidad de la resistencia de referencia. Las incertidumbres de cero en los convertidores de resistencia se deben a las desviaciones de tensión de los amplificadores de detección que forman parte de los circuitos de acondicionamiento de la señal de tensión de cd. -
Convertidores de Resistencia de 2 y 4 hilos.
Cualquier sistema convertidor de resistencia se puede configurar a 2 o 4 hilos de conversión. En la configuración de 4 hilos, el circuito sensor “en esencia los mismos circuitos como el circuito de acondicionamiento de señal de tensión de cd” está disponible en terminales separadas de las terminales de la fuente de corriente. De esta manera, la resistencia de los cables de conexión se elimina de la medición. Al calibrar multímetros digitales con capacidad de medir resistencia a 4 hilos, las fuentes de resistencia deben tener la capacidad de detección remota.
Convertidores de corriente.
La función de corriente de los multímetros digitales se construye generalmente con derivadores simples de corriente, en cualquier sección de los detectores de tensión de cd o ac, en la derivación, o mediante un esquema de retroalimentación, donde el flujo de corriente desconocida fluye hacia un circuito amplificador operacional que genera una salida proporcional de tensión (ver Figura 2.11 [6]).
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Figura 2.11 Convertidor de Corriente.
2.3 Requisitos Generales de Calibración. Independientemente del tipo de DMM, los ajustes de calibración se realizan para reducir la inestabilidad en la desviación, ganancia, y la linealidad en la función de transferencia de los circuitos de procesamiento de señales. Cada uno de los bloques funcionales en la sección de medición de un DMM está sujeto a estas fuentes de variación en el rendimiento.
La Teoría del Ajuste de Calibración.
Suponiendo que todos los bloques de procesamiento de señales tienen una función de transferencia de [6]:
Ecuación 2.6
Donde: y = la salida x = la entrada m = la ganancia b = el desplazamiento de cero El DMM está diseñado de tal manera que “ m” tiene un valor exacto nominal, como 10 y “b” puede ser cero. Por ejemplo, cuando “ m” es de 10 y b es cero, “y ” será igual a 10 x .
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Cuando “m” no es igual a su valor nominal, los valores de “y ” se desviarán de
dicho valor nominal en el mismo porcentaje. Cuando “b” no es igual a cero, los valores de “y ” se desplazan de su valor correcto en una c antidad constante. A pesar de que “m” y “b” se desvían de sus valores nominales, la pendiente de “y ”
en función de
debe ser una línea recta idealmente.
Un DMM opera en virtud de la presente relación
. Se necesita una
entrada desconocida x (ya sea en la tensión, la resistencia o corriente), y la convierte en y (en volt, ohm, o ampere). Esto es lo que se muestra por el DMM. Figura 2.12 [6], muestra las variaciones en ganancia, desplazamiento y linealidad de un multímetro digital típico. Tradicionalmente, estas desviaciones se conocen como ganancia, desviación, y los errores de linealidad.
Figura 2.12 Variaciones en Ganancia, Desplazamiento y Linealidad.
Las especificaciones de los Voltímetros se basan principalmente en desviación, ganancia y linealidad: las especificaciones del porcentaje de la lectura son la incertidumbre de la ganancia. La incertidumbre de linealidad es debida a las fuentes de error secundarias, tales como las desigualdades existentes en los intervalos de resistencia en los convertidores ADC de R 2, o errores de absorción dieléctrica de condensadores de almacenamiento, lo que resulta en una caída de la respuesta a escala completa. Además de estas fuentes de incertidumbre, algunos multímetros digitales tienen picos de tensión espurios, componentes de corriente directa, y las 40
corrientes de fuga presentes en las terminales de entrada. Estos pueden introducir errores en la salida del MFC al calibrar el DMM.
Las referencias internas.
Cada DMM tiene una referencia de tensión de corriente continua. Las referencias van desde 1V a 15V. La referencia de tensión continua se utiliza como referencia para el ADC y es un factor limitante para una obtener la mejor exactitud de los DMM para todas las mediciones de tensión y corriente. Los DMMs pueden o no requerir de calibración independiente de la referencia del voltaje de corriente continua. A menudo, el diseño DMM es tal que no se requiere una medición actual de la tensión de referencia de corriente directa (usando otro DMM). En cambio, una tensión de entrada conocida se aplica a la unidad bajo prueba, y se hace un ajuste hasta que el DMM muestra en pantalla un valor similar al de entrada. Figura 2.13 [6] es un ejemplo de una referencia de tensión directa típica de alta exactitud.
Figura 2.13 Referencia de Tensión Directa de alta Precisión.
Además, en cualquier DMM, hay una o más referencias de resistencia que determinan la exactitud del convertidor de resistencia. La mayoría de multímetros digitales no requieren de una medición separada de las resistencias de referencia durante la calibración. Sin embargo, una resistencia de referencia de valor conocido se aplica al DMM, y el DMM se ajusta a la lectura correcta. La figura 2.14 [6] ilustra una resistencia de referencia típica.
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Figura 2.14 Resistencia de Referencia.
Consideraciones de ajuste del ADC.
Dado que todas las funciones utilizan el ADC, debe ser calibrado como uno de los primeros pasos. Algunos esquemas de calibración del DMM, se calibra por separado el ADC y calibraciones de referencia, otros esquemas llevan a cabo calibraciones en el intervalo de tensión de cd solamente y el técnico no se encarga de los detalles específicos de la calibración del ADC. Los DMM cuyos procedimientos no piden el ajuste por separado del adc tienen correcciones internas. El procedimiento de calibración simplemente pide un ajuste en el primer intervalo lineal de tensión de cd. Este intervalo, entrando directamente en el ADC, tiene ganancia unitaria y por lo tanto no tiene ningún error significativo en el factor de escala. El procedimiento de calibración requiere generalmente un ajuste de desviación de cero del intervalo del cd, y entonces el ADC se ajusta.
El ADC de integración.
El ADC de integración tiene unos ajustes de calibración más simples que el ADC de aproximaciones sucesivas. La mayor fuente de error de este tipo de convertidor es la referencia de tensión de cd, su ajuste de calibración puede ser tan simple como la aplicación de una tensión cd conocida de aproximadamente la misma magnitud que la referencia de tensión cd, y haciendo un ajuste en el DMM hasta que muestre en pantalla un valor similar al aplicado tomando en cuenta la tolerancia aceptada. 42
Algunos convertidores de integración tienen un ajuste de la calibración más complicado cerca de cero volts. La velocidad de respuesta tanto del integrador y el comparador pueden causar errores cerca de cero volts, estos errores suelen ser sensibles a la polaridad. Como resultado, puede haber uno o más ajustes cercanos a cero volts para corregir esta anomalía [6]. Los convertidores de doble rampa tradicional, a menudo muestran la absorción dieléctrica en el capacitor de integración. Este fenómeno es causado por el efecto de la memoria capacitiva el cual resulta en una tensión de salida aleatoria en el integrador no como se predijo en grandes oscilaciones de tensión, es decir, cerca de las escalas máximas. Un convertidor de doble rampa sin corregir normalmente se inclina en unos 10 a 50 ppm (partes por millón) cerca a escala real positivo y negativo. Para corregir esto, el ADC se ajusta con una entrada conocida casi de la máxima escala.
R2 ADC.
El convertidor de R 2 su procedimiento de ajuste de calibración en general requiere más puntos de ajuste para corregir los desajustes en las redes de escalera de mando resistivo que componen el ADC. Y ciertos pasos de la calibración pueden necesitar ser repetidos varias veces para obtener resultados óptimos. Se requieren las entradas de tensión muy específicas durante la calibración, obligándole al convertidor R 2 para usar varias combinaciones de la escala del ADC. La iteración permite el encuentro entre las resistencias de la escalera de ser más exactas. La calibración del R 2 no es más exigente que la calibración de un simple convertidor de doble rampa.
Intervalo de calibración de voltaje cd.
Los Multímetros digitales suelen tener rangos a gran escala de 200V cd, 300V cd, o 1000V cd, normalmente divididos por factores de 10 para determinar los rangos más bajos. La práctica normal de calibración de los límites de la prueba de rangos a poco menos de la escala completa. Esto es porque la mayoría de multímetros digitales se encuentran predefinidas, y se van al siguiente rango más alto si la entrada es un cierto porcentaje de la escala base. Así que las 43
tensiones de calibración para DMMs con los rangos máximos de 200V cd normalmente siguen una sucesión de 190 mV, 1.9V, 19V, 190V y 1000V cd. El cero en cada rango también puede necesitar ser ajustado o registrado. Después de que el cero se ajusta o graba, la tensión de entrada a gran escala se aplica y el aumento del rango ajustado. Por ejemplo, supongamos que un multímetro digital ADC opera dentro del rango de ± 20V. Teniendo 200mV cd en la señal de entrada se multiplicaran por 100 para mantener la entrada del ADC dentro del rango adecuado, como se muestra en la Figura 2.15 [6]. El amplificador utilizado en los 200 mV de cd tiene un error de tensión de offset y la ganancia proporcionada por la retroalimentación no es exactamente 100. Esto provoca un error de escala de los factores.
Figura 2.15 Ajuste de Ganancia mV.
El procedimiento de calibración consiste en una retroalimentación negativa a la entrada del amplificador y ajustar la lectura del DMM exactamente a 0 V de cd. Esto sería seguido por una entrada cerca de la escala total, en este caso, 190 mV cd. El DMM entonces se ajusta para mostrar la tensión de entrada exacta. En efecto, el usuario está ajustando exactamente la ganancia de 100. Una calibración DMM también puede requerir una entrada de polaridad opuesta, -190 mV. Esto es para corregir los errores de linealidad o secundaria del amplificador de rango o por errores de linealidad en el ADC.
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La calibración del convertidor CA-CD.
La calibración del convertidor ca-cd es similar para todos los tipos de convertidores. Los ajustes de amplitud se hacen a menudo en dos o más frecuencias en cada rango.
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Los convertidores CA-CD de verdadero valor eficaz.
Los convertidores de verdadero valor eficaz necesitan calibración de rangos al máximo de escala y en niveles de entrada cercanos a cero. Sin embargo, los circuitos de verdadero valor eficaz tienen un problema aún mayor, cerca de cero volts
respondiendo al convertidor. Por ejemplo, el registro
analógico/antilogaritmo utiliza un rectificador de exactitud, dando lugar a problemas de rectificación de ruido como las asociadas a un convertidor de medios de respuesta. Además, debido a la tensión de salida que se muestra en la siguiente ecuación [6]:
Ecuación 2.7
Donde: V noise = Voltaje rms de ruido. V sig = Voltaje rms de la señal que se mide.
Las entradas de señales muy pequeñas causan ruido. En consecuencia, las calibraciones de verdadero valor eficaz se llevan a cabo con entradas muy por encima de cero volts. Hay ajustes adicionales para corregir los errores de linealidad de los convertidores RMS. Si el DMM tiene una función de tensión de cd-ca acoplada, pueden no existir ajustes de la entrada para corregir errores del desplazamiento de los amplificadores de escala. El convertidor de tensión ca puede tener una calibración independiente para el convertidor de verdadero valor eficaz, pero a menudo su calibración se combina a la principal función de calibración de tensión ca. Por ejemplo, si el 45
módulo de verdadero valor eficaz puede manejar una forma de onda de 2V a escala completa, el rango de 2V ca debe ser calibrado primero y luego ajustar el módulo de verdadero valor eficaz. Los rangos de otros niveles luego se ajustan para corregir los errores de su ganancia. En algunos casos, el módulo de verdadero valor eficaz necesita más de dos entradas diferentes para corregir los errores de linealidad. Por ejemplo, un ajuste de calibración de tensión de ca puede requerir entradas de 19 mV, 190 mV y 1.9V en el rango de 2V. La sección de escalas, y verdaderos convertidores RMS tienen errores de resistencia y capacitancia. Una consideración importante cuando se calibra la tensión alterna es la respuesta de frecuencia. El requisito general es usar un calibrador de amplitud constante que cubre el rango de frecuencias del DMM. La calibración de baja frecuencia se realiza generalmente a 400 Hz a 1 kHz. Los ajustes de alta frecuencia se hacen después. Las frecuencias utilizadas para los ajustes de alta frecuencia son en gran parte determinada por las características capacitivas contra las resistivas de los circuitos de escala. Al realizar un ajuste de alta frecuencia, una de las dos acciones se realiza: La respuesta de frecuencia real de un amplificador o atenuador de la escala es físicamente ajustado. Como se muestra en la figura 2.16 [6].
Figura 2.16 Ajuste de la Respuesta de Frecuencia.
El segundo método requiere un multímetro digital con una frecuencia de corriente interna para determinar la frecuencia de entrada. 46
CAPITULO III. ANÁLISIS DE INCERTIDUMBRE.
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Cuando se informe el resultado de una medición de una magnitud física es obligatorio proporcionar alguna indicación cuantitativa de la calidad del resultado, de manera tal que el usuario pueda apreciar su confiabilidad. Sin esta indicación, los resultados de las mediciones no pueden ser comparados, ni entre ellos mismos ni con respecto a valores de referencia dados en una especificación o norma. Por lo tanto es necesario que exista un procedimiento libre, fácil de usar y aceptado de manera general para caracterizar la calidad del resultado de una medición, esto es, para evaluar y expresar su incertidumbre. La expresión física de incertidumbre en la medición de una magnitud física bien definida es el mensurando que puede caracterizarse por un valor esencialmente único. Cuando es posible representar el fenómeno de interés únicamente como una distribución de valores dependientes de uno o más parámetros, como el tiempo, entonces, la descripción de los mensurados, requiere de un conjunto de cantidades que describan tal distribución o dependencia. El concepto de incertidumbre como un atributo cuantificable es relativamente nuevo en la historia de las mediciones, a pesar de que los conceptos de error y análisis de error han sido parte de la práctica de la metrología por largo tiempo. Actualmente se acepta de manera general que cuando todas las componentes, conocidas o supuestas, del error han sido evaluadas y se han aplicado las correcciones, aun persiste una incertidumbre acerca de la confiabilidad del resultado expresado, esto es, persiste una duda acerca de que tan bien representa el resultado de la medición al valor de la cantidad que esta siendo medida. El método ideal para evaluar y expresar la incertidumbre deber ser:
Universal: el método debe ser aplicable a cualquier tipo de mediciones y a cualquier tipo de datos utilizados en las mediciones.
La cantidad utilizada para expresar la incertidumbre debe ser:
Internamente consiste: en poder obtenerse directamente a partir de los componentes que contribuyen a ella; asimismo, debe ser independiente 48
de la forma en que dichas componentes se agrupan y del método en que estas se descomponen en subcomponente.
Transferible: debe ser posible utilizar directamente la incertidumbre evaluada para un resultado, como una componente al evaluar la incertidumbre de otra medida en la cual se utiliza el primer resultado.
El método ideal para evaluar y expresar la incertidumbre en la medición debe ser capaz de proporcionar, directamente, tal tipo de intervalo, en particular, uno con una probabilidad de cobertura o nivel de confianza que corresponda en forma realista con lo requerido.
3.1 ¿Qué es la Incertidumbre? Parámetro asociado al resultado de una medición, que caracteriza por la dispersión de los valores que podrían razonablemente, ser atribuidos al mensurando. Una medida del posible error en el valor del mensurado proporcionado por el resultado de una medición. Una estimación que caracteriza el intervalo de valores dentro de los cuales se halla el valor verdadero de un mensurado [7].
3.2 Fuentes de Incertidumbre. En la práctica de incertidumbre del resultado puede originarse de muchas fuentes posibles, entre ellas podemos mencionar: a) Definición incompleta del mensurando b) Realización imperfecta de la medición del mensurando c) Muestreo d) Conocimiento inadecuado de los efectos de las condiciones ambientales sobre las mediciones, o mediciones imperfectas de dichas condiciones ambientales 49
e) Resolución finita del instrumento o umbral de discriminación finito f) Valores inexactos de patrones de medición y materiales de referencia g) Fuentes externas h) Aproximaciones y suposiciones incorporadas en los métodos y procedimientos de medición i) Variaciones en observaciones repetidas del mensurando bajo condiciones aparentemente iguales El resultado de una medición está completo únicamente cuando está acompañado por una declaración cuantitativa de la incertidumbre, que expresa la calidad del mismo y permite valorar la confiabilidad en este resultado. [7, 8]
3.3 Componentes de Incertidumbre. En la estimación de la incertidumbre es ser necesario tomar cada fuente de incertidumbre y tratarla separadamente para obtener la contribución de cada fuente. Cada una de las contribuciones separadas a la incertidumbre es referida como una componente de incertidumbre. Cuando es expresada como una desviación estándar una componente de incertidumbre es conocida como una incertidumbre estándar. Sin embargo, es posible evaluar el efecto combinado de varias componentes. Para un resultado de una medición y, la incertidumbre total, denominada incertidumbre estándar combinada y denotada por U c(y), es una desviación estándar estimada igual a la raíz cuadrada positiva de la varianza total obtenida por la combinación de todas las componentes de la incertidumbre.
Para la mayoría de los propósitos en las mediciones, puede ser utilizada una incertidumbre expandida U(y). La incertidumbre expandida suministra un intervalo dentro del cual el valor del mensurando se cree caer con un alto nivel de confianza. U(y) es obtenida por la multiplicación de U c(y), la incertidumbre estándar combinada, por un factor de cobertura k .
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La elección del factor k está basada en el nivel de confianza deseado. Para un nivel de confianza aproximado de 95%, k es 2, este factor siempre debe de ser señalado.
3.4 Proceso de estimación de la Incertidumbre. A continuación se presentan las tareas necesarias para obtener un estimado de la incertidumbre asociada con un resultado de la medición: 1. Especificación del mensurando. Escribir un enunciado claro de lo que es medido, incluyendo la relación entre el mensurando y las magnitudes de entrada (ej. magnitudes medidas, constantes, valores de patrones de calibración, etc.) sobre las cuales éste depende. Donde sea posible, incluir las correcciones para efectos secundarios conocidos. Este se encuentra regularmente en el Procedimiento de calibración. 2. Identificación de las fuentes de incertidumbre y análisis. Listar las posibles fuentes de incertidumbre. Esta lista incluye las fuentes que contribuyen a la incertidumbre en los parámetros de la relación especificada en el primer paso, pero puede incluir otras fuentes y las fuentes originadas de cualquier suposición que sea tomada. 3. Evaluación de la incertidumbre estándar. Medir o estimar la magnitud de la componente de incertidumbre asociada con cada fuente potencial de incertidumbre identificada. Frecuentemente es posible estimar o determinar una contribución simple a la incertidumbre asociada con un número de fuentes separadas. Además, es importante considerar si los datos disponibles cuentan lo suficiente para todas las fuentes de incertidumbre, y planificar cuidadosamente experimentos adicionales y estudios para asegurar que todas las fuentes de incertidumbre sean tomadas en cuenta adecuadamente. 4. Cálculo de incertidumbre combinada.
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La información obtenida en punto 3 consiste de un número de contribuciones cuantificadas a toda la incertidumbre, o asociadas con fuentes individuales. Las contribuciones tienen que ser expresadas como desviaciones estándar, y combinadas de acuerdo a reglas apropiadas, para dar una incertidumbre estándar combinada. El factor de cobertura apropiado debe de ser aplicado para una incertidumbre expandida. La figura 3.1 muestra el proceso esquemáticamente. Especificación del mensurando
Establecer el modelo físico Identificar las magnitudes de entrada Xi Establecer el modelo matemático Identificación de las fuentes de incertidumbre Simplificar por agrupamiento las fuentes cubiertas por los datos existentes
Asignar una funcion de distribución a cada fuente Convertir las componentes a desviaciones estánder u(Xi) Estimar conrrelaciones
Calcular la incertidumbre estándar combinada Uc(y) Revisar, y si es necesario reevabar las mayores componentes de incertidumbre Calcular la Incertidumbre expandida U(y)
Figura 3.1 Pasos para la estimación de la incertidumbre de medición.
52
A continuación suministro una guía de ejecución de todos los pasos listados anteriormente y muestro como el procedimiento puede ser simplificado, dependiendo de la información que está disponible acerca del efecto combinado de un número de fuentes.
Especificación del mensurando.
En el contexto de la estimación de la incertidumbre, “la especificación del mensurando” requiere una clara e indiscutible definición de que es medido, y
una expresión cuantitativa que relacione el valor del mensurando con los parámetros de los cuales depende. Estos parámetros pueden ser otros mensurados, magnitudes que no son directamente medidas o constantes. Pretender estudiar el proceso de medición de manera exacta y completa esta usualmente fuera de las actividades rutinarias de un técnico o persona que efectué mediciones. Por lo tanto es necesaria la simplificación del fenómeno o de la situación real conservando las características mas relevantes para el propósito pretendido, mediante la construcción de un modelo para la medición. Un modelo físico de la medición consiste en el conjunto de suposiciones sobre el propio mensurando y las variables químicas o físicas relevantes para la medición. Estas suposiciones pueden incluir:
El
-
La relación entre variables presentes en el fenómeno
-
Consideraciones sobre el fenómeno como comportamiento temporal
modelo
matemático
supone
aproximaciones
originadas
por
la
representación imperfecta o limitada de las relaciones entre las variables involucradas. Considerando a la medición como un proceso, se identifican magnitudes de entrada denotadas por el conjunto {X i}, expresión en la cual el índice i toma valores entre 1 y el número de magnitudes de entrada N . La relación entre las magnitudes de entrada X i y el mensurando Y como la magnitud de salida se representa como una función [8]:
53
Ecuación 3.1
El modelo matemático de la medición expresado a través de la relación ecuación 3.1 debemos interpretarlo como aquella función que contiene todas las magnitudes de las cuales depende el mensurando, incluyendo todas las correcciones y factores de corrección que pueden contribuir con componentes significativos de incertidumbre al resultado de la medición. La incertidumbre no debe expresar simplemente una ley física, sino también el proceso de medición dado. Se denota con xi al mejor estimado de las magnitudes de entrada X i. El mejor estimado del valor del mensurando es el resultado de calcular el valor de la función f evaluada en el mejor estimado de cada magnitud de entrada [8],
Ecuación 3.2
En algunas ocasiones se toma el mejor estimado de Y como el promedio de varios valores Y j del mensurando obteniendo a partir de diversos valores {X i} j de las magnitudes de entrada.
Identificación de las fuentes de incertidumbre y análisis.
Deben de ser identificadas comprensivamente todas las fuentes relevantes de incertidumbre. En esta etapa, no es necesaria la evaluación de las componentes individuales; la intención es dejar establecidas claramente las diferentes fuentes que deben ser consideradas en el análisis de incertidumbre. Más adelante se consideran las mejores vías para el tratamiento de cada fuente. No es recomendable desechar alguna de las fuentes de incertidumbre por la suposición de que es poco significativa sin una cuantificación previa de su contribución, comparada con las demás, apoyada en mediciones. Es preferible la inclusión de un exceso de fuentes que ignorar algunas entre las cuales pudiera descartarse alguna importante. No obstante, siempre estarán presente
54
efectos donde la experiencia, conocimientos y actitud crítica del técnico permita calificar como irrelevantes después de las debidas consideraciones.
Evaluación de la incertidumbre estándar
Una vez que han sido identificadas las fuentes de incertidumbre es necesario evaluar la incertidumbre originada de cada fuente individual, para luego combinarlas.
-
Procedimiento de evaluación de la incertidumbre.
Es importante reconocer que no todas las componentes tienen una contribución significativa a la incertidumbre combinada; en la práctica tan solo un pequeño número de ellas contribuirán a la incertidumbre combinada. Debe ser hecho un estimado preliminar de la contribución de cada componente o combinación de componentes a la incertidumbre y aquellas que no sean significativas deben eliminarse. En la literatura se distinguen dos métodos principales para cuantificar las fuentes de incertidumbre: el método de evaluación tipo A y el método de
evaluación tipo B. el método tipo A está basado en un análisis estadístico de una serie de mediciones, mientras que el método de evaluación tipo B comprende todas las demás maneras de estimar la incertidumbre. Esta clasificación no significa que exista alguna diferencia en la naturaleza de las componentes que resultan de cada uno de los dos métodos de evaluación, puesto que ambos métodos están basados en distribuciones de probabilidad. La única diferencia es que en las evaluaciones tipo A se estima esta distribución basándose en mediciones repetidas obtenidas del mismo proceso de medición, mientras que en el caso de tipo B se supone una distribución sobre la base de la experiencia o la información externa disponible. En la práctica esta clasificación no tiene consecuencia alguna en las etapas para obtener una estimación de la incertidumbre combinada.
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-
Método de evaluación tipo A de la incertidumbre.
La incertidumbre de una magnitud de entrada X i obtenida a partir de observaciones repetidas bajo condiciones de repetibilidad, se estima sobre la base de la dispersión de los resultados de medición individuales. Solo cuando existe suficiente resolución en el proceso de medición, la dispersión de las observaciones podrá advertirse, puesto que se obtendrán un grupo de valores diferentes al repetir la medición en condiciones prácticamente iguales, algunos de los cuales pueden o no volver a aparecer. Si X i se determina por n mediciones independientes, resultando en valores q1, q2 ,…, qn, el mejor estimado de X i para el valor de X i es la media de los
resultados individuales [8]:
Ecuación 3.3
La dispersión de los resultados de la medición q1, q2 ,…, qn para la magnitud de entrada Xi se expresa por su desviación estándar experimental [8]:
Ecuación 3.4
La incertidumbre estándar u(x )i de X i se obtiene finalmente mediante el cálculo de la desviación estándar experimental de la media [8]:
Ecuación 3.5
Para una medición que se realiza por un método bien caracterizado y bajo condiciones controladas, es razonable suponer que la distribución (dispersión) de los q j no cambia, o sea se mantiene prácticamente igual para mediciones realizadas en diferentes días, por diferentes metrólogos, etc., es decir la medición está bajo control estático. En este caso esta componente de la incertidumbre puede ser más confiablemente estimada a partir de la desviación estándar s p, que con la desviación estándar experimental s(q) obtenida por un numero n de mediciones, casi siempre pequeño según la ecuación 3.4 la
56
repetibilidad y reproducibilidad de las mediciones previamente evaluadas deben basarse en un número relativamente grande de m ediciones [8]. Cuando s p se encuentra disponible podemos obtener la incertidumbre estándar tipo A de x i calculada a partir de muy pocas mediciones como [8]:
Ecuación 3.6
y que en
Donde n es el numero de mediciones realizadas para evaluar x i=
algunos casos suele ser igual a 1, mientras que s p se determinó por un número distinto (grande) de mediciones. No se puede dar una recomendación general para el número ideal de las mediciones n, ya que este depende de las condiciones y exigencias de cada medición específica. Es necesario considerar que:
- Al aumentar el número de repeticiones disminuye la incertidumbre tipo
A, la cual es proporcional a 1/
-
Un número grande de repeticiones aumenta el tiempo del proceso de medición, que puede ser contraproducente, si las condiciones ambientales u otras magnitudes de entrada no se mantienen constantes en este tiempo.
-
En pocos casos se recomienda o se requiere n mayor de 10. Por ejemplo cuando se hacen mediciones o calibraciones de alta exactitud.
-
Para determinar el impacto que tiene n en la incertidumbre expandida hay que estimar su influencia en el número de grados efectivos de libertad.
Otras fuentes de incertidumbre que se evalúan con este método son la reproducibilidad y linealización.
-
Método de evaluación tipo B de la incertidumbre.
Una evaluación de tipo B de la incertidumbre estándar se realiza cuando no se dispone de información sobre la posible variabilidad de la magnitud dada para hacer un análisis estadístico. En tal caso, la incertidumbre estándar uB(x )i se 57
evalúa mediante juicios y criterios científicos, basados en toda la información disponible sobre la variabilidad de x i . Las fuentes de información pueden ser:
-
Certificados de calibración
-
Manuales de los instrumentos de medición
-
Normas o literatura
-
Valores de mediciones ambientales
-
Conocimiento sobre las características o el comportamiento del sistema de medición.
Al evaluar las componentes individuales de incertidumbre en un proceso de medición se consideran, al menos, las siguientes posibles fuentes:
-
Incertidumbre reportada en los certificados de calibración de los instrumentos patrones y cualquier deriva o inestabilidad en sus valores o lecturas
-
Los equipos de medición; por ejemplo, su resolución, histéresis e inestabilidad durante la realización de las mediciones
-
El efecto de las condiciones ambientales
-
El método y procedimiento de medición
-
Los equipos auxiliares, como las líneas de conexión
-
El observador
La evaluación tipo B de la incertidumbre estándar es en esencia al igual que la evaluación tipo A, una determinación de la desviación estándar, pero la evaluación tipo B no se basa en un análisis estadístico, sino que en la mayoría de los casos se asume una función de distribución a priori a partir de la cual se realiza la evaluación. En la práctica se nos pueden presentar los siguientes casos:
-
Si la estimación x i se toma de una especificación del fabricante, de un certificado de calibración, manual u otra fuente, y su incertidumbre asignada se establece como un múltiplo de una desviación estándar, la
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incertidumbre estándar ub(x )i es simplemente el valor asignado dividido por el multiplicador (factor de cobertura)
-
La incertidumbre asignada a x i no necesariamente está dada como un múltiplo de una desviación estándar. En lugar de eso, puede encontrarse que la incertidumbre asignada define un intervalo con un nivel de confianza de 90, 95 o 99 %. A menos que se indique otra cosa, se asume que se uso una distribución normal (figura 3.2) y se recupera la incertidumbre estándar dividiendo la incertidumbre asignada por el f actor apropiado. Los factores correspondientes a los tres niveles de confianza mencionados son: 1.64, 1.96 y 2.58.
Figura 3.2 Distribución normal.
Los resultados de una medición repetida afectada por una o más magnitudes de influencia que varían aleatoriamente, generalmente siguen en buena aproximación una distribución normal.
-
En otros casos puede que sea posible estimar solo los limites (superior e inferior) para x i en particular para establecer que la probabilidad de que el valor de x i esté dentro del intervalo de [a.; a +] para todos los propósitos prácticos es igual a uno y la probabilidad de que x i caiga fuera de este intervalo es esencialmente cero. Si no existe un conocimiento especifico acerca de los posibles valores de x i dentro del intervalo, uno puede únicamente suponer que es igualmente probable para x i tomar cualquier
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valor dentro del intervalo (una distribución uniforme o rectangular de valores posibles como la mostrada en la figura 3.3).
Figura 3.3 Distribución rectangular.
Entonces la esperanza x i, o valor esperado de x i, es el punto medio del intervalo,
con varianza asociada, con varianza asociada
[8],
Ecuación 3.7
Si la diferencia entre los límites a+ y a- se denota por 2a, entonces la incertidumbre estándar tipo B de x i se evalúa como [8]:
Ecuación 3.8
La formula (3.8) se utiliza generalmente cuando se analizan componentes individuales de incertidumbre tales como:
-
El error de un instrumento de medición el cual se supone que está comprendido dentro de los límites del error máximo permitido (± EMP)
-
La resolución (R) de un instrumento digital
-
La histéresis (H) de las indicaciones de un instrumento de medición
-
El efecto de algunas magnitudes influyentes (±∆).
En estos casos se sustituye a, en la formula (3.8) por EMP, R/2, A/2, H/2 ó ∆ según corresponda.
60
Resultado de la medición.
-
Incertidumbre combinada.
El resultado de la combinación de las contribuciones de todas las fuentes de incertidumbre estándar combinada uc (y), la cual contiene toda la información esencial sobre la incertidumbre del mensurando Y . La contribución ui (y) de cada fuente a la incertidumbre combinada depende de la incertidumbre estándar u(x )i de la propia fuente y el impacto de la fuente sobre el mensurando. Es posible encontrar que la pequeña variación de alguna de las magnitudes de influencia tenga un impacto importante en el mensurando, y viceversa. Se determina ui (y) por el producto de u(x )i y su coeficiente de sensibilidad c i (o factor de sensibilidad) [8]:
Ecuación 3.9
El coeficiente de sensibilidad describe, que tan sensible es el mensurando con respecto a variaciones de la magnitud de entrada correspondiente.
-
Incertidumbre expandida.
La forma de expresar la incertidumbre como parte de los resultados de la medición depende de la conveniencia del usuario. A veces se comunica simplemente como la incertidumbre estándar combinada, otras ocasiones como un cierto número de veces tal incertidumbre, algunos casos requieren se exprese en términos de un nivel de confianza dado, etc. En cualquier caso, es indispensable comunicar sin ambigüedades la manera en que la incertidumbre está expresada. Según la metodología desarrollada, la etapa final consiste de la multiplicación de la incertidumbre estándar combinada por el factor de cobertura (k) elegido para obtener una incertidumbre expandida. La incertidumbre expandida es requerida para suministrar un intervalo en el cual podría encontrarse una fracción grande de la distribución de valores que podrían razonablemente ser
61
atribuidos al mensurando, es decir con una probabilidad mayor a la que se tendría si sólo se trabajase con la incertidumbre combinada. La incertidumbre expandida (U(y)) se calcula como [8]:
Ecuación 3.10
La U(y) indica entonces un intervalo que representa una fracción p de los valores que puede probablemente tomar el mensurando El valor de p es llamado nivel de confianza y puede ser elegido a conveniencia. En la elección del valor de k deben ser considerados un número de aspectos:
-
El nivel de confianza requerido
-
Cualquier conocimiento de las distribuciones
-
Cualquier conocimiento del número de valores utilizado para estimar efectos aleatorios
Para la mayoría de los propósitos es recomendado que k sea igual a 2. Sin embargo, el valor de k puede ser insuficiente cuando la incertidumbre combinada está basada en observaciones estadísticas con relativamente pocos grados de libertad (menor que 6). Entonces, la elección de k depende del número de grados de libertad efectivos. Frecuentemente, los valores del mensurando siguen una distribución normal. Sin embargo, el mejor estimado del mensurando, la media (obtenida por muestreos de n mediciones repetidas) dividida entre su desviación estándar, sigue una distribución llamada t de Student, la cual refleja las limitaciones de la información disponible debidas al número finito de mediciones. Esta distribución coincide con la distribución normal en el límite cuando n tiende a infinito, pero difiere considerablemente cuando n es pequeño.
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CAPITULO IV. PRUEBAS Y RESULTADOS.
63
4.1 El proceso de Calibración. De acuerdo a la Norma Oficial Mexicana, denominada NOM-Z-55-2006-IMNC Metrología –Vocabulario de términos fundamentales y generales [3, 4], la calibración es “el conjunto de operaciones específicas que establecen, bajo
condiciones controladas, la relación entre los valores indicados por un aparato o sistema de medición, o los valores presentados por una medida materializada materializada y los valores conocidos, correspondientes de una magn itud medida”. En otras palabras, la calibración es la acción de comparar un equipo o sistemas de medición contra un patrón de mayor exactitud, donde un patrón es la medida materializada, aparato de medición o sistema de medición destinado a definir, realizar, conservar o producir una unidad o uno o varios valores conocidos de una magnitud para „transmitirlos por comparación‟ a otros instrumentos de
medición. La calibración es una operación destinada a comprobar que un equipo o sistema de medición está midiendo dentro de los límites de exactitud permitidos para un proceso en particular, otorgándole un certificado que respalda la validez de las mediciones realizadas en el área de trabajo con dicho instrumento. El proceso de calibración requiere la comprensión de las acciones necesarias dentro del proceso y su relación con la norma ISO 9000/IEC 17025:2005 [2]. Por ello, el proceso de calibración involucra muchas tareas por parte del administrador del laboratorio de calibración y los técnicos de pruebas, como se muestra en la figura 4.1. Estas tareas pueden ser divididas en tres categorías: Desarrollar procedimientos, ejecutar la calibración y documentar los resultados. A continuación se presenta presenta una descripción de de cada tarea.
64
Figura 4.1 Ciclo típico de un proceso de calibración.
4.2 Desarrollo del Procedimiento.
Análisis de especificaciones del instrumento.
Los datos que se presentan en la carta de especificaciones de un multímetro digital son: -
Condiciones ambientales. Este punto hace referencia a las condiciones de temperatura y humedad relativa que especifica el fabricante para garantizar que el instrumento conservará la exactitud en las mediciones. Lo anterior se toma en cuenta para realizar la calibración en condiciones ambientales adecuadas.
-
Rangos de operación. Es el intervalo de valores de una variable eléctrica que pueden ser detectados y presentados en la pantalla por el instrumento, manteniendo la exactitud declarada en las especificaciones del fabricante, conservando así la integridad física tanto del instrumento como del operador.
-
Exactitud en la medición. La exactitud es la proximidad entre el resultado de una medición y el valor convencionalmente verdadero de la 65
magnitud medida o la magnitud reproducida en un instrumento patrón. Con éste dato se determina el margen de diferencia entre el valor entregado por el multicalibrador y el valor presentado en pantalla por el instrumento. -
Conexiones del instrumento. Especifica, dependiendo la variable a medir, la conexión de las terminales de prueba del instrumento, de los accesorios con que cuenta dependiendo de la magnitud a medir. Se utiliza para elaborar los diagramas de conexión que se requieren al realizar la calibración del instrumento
Evaluaciones en un procedimiento de calibración.
Una vez que contamos con las especificaciones del instrumento se establecen las condiciones de la prueba en cuanto a estabilidad, seguridad y operación. Después se plantea la evaluación para cada función estableciendo sus límites de tolerancia de exactitud, conexiones para cada prueba y la evaluación de resultados correspondiente.
-
Condiciones ambientales.
Se cuenta con un Termohigrómetro 175-H1 testo calibrado y vigente en las instalaciones del laboratorio, lo que permite evaluar las condiciones ambientales como son temperatura y humedad relativa por medio de su interfaz 0554.1770 testo y Testo Comfort-Software Básico 2002 V 3.2. En caso de ser posible, se debe contar con los recursos necesarios (sistema de aire acondicionado, deshumidificador, techo de plafón aislante térmico, puertas, ventanas y divisiones con doble cristal con separación para evitar el intercambio de calor, etc.) para controlar dichas condiciones a fín de poder realizar las labores de calibración sin estar limitados por las condiciones ambientales naturales.
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-
Normas de seguridad.
Se debe hacer la recomendación de tener la debida precaución al momento de realizar una calibración, ya que algunas de las pruebas se desarrollan utilizando alto voltaje, por lo que existe riesgo de un accidente o incluso de perder la vida si no se observan las medidas de seguridad adecuadas. Como son: utilizar ropa de trabajo fabricada en algodón y botas dieléctricas, utilizar cables de prueba apropiados en cuanto a calibre y aislamiento del forro, no tocar las conexiones en el momento de una calibración, a menos que el procedimiento indique un cambio de conexión, etc. -
Encendido del instrumento.
Como primer requisito para calibrar un multímetro, éste debe operar correctamente, lo cual implica revisar la batería o baterías con las cuales funciona, revisar fusibles y revisar que el equipo encienda correctamente; que el interruptor o selector de rangos de operación funcione correctamente y que no estén seleccionadas funciones especiales de algunos multímetros como son: retener una lectura en la pantalla aún retirando la conexión de prueba (HOLD), Realizar lecturas de valor Pico de algunas variables eléctricas (PEAK), etc; también es recomendable seleccionar la función de resistencia y hacer un corto circuito entre sus terminales mover el cable esto con el fin de verificar que los bornes se encuentren en buenas condiciones. -
Conexiones para las pruebas.
En base a la operación del instrumento para la medición de las diferentes variables eléctricas que maneja y a las funciones de las terminales del multicalibrador, se especifican las conexiones que se requieren para las diferentes pruebas que se van a realizar para la calibración, así como los accesorios que se requieran para alguna prueba en especial como pueden ser bobinas de corriente para la calibración de multímetros con amperímetro tipo gancho. 67
4.3 Formato e Instrucciones del programa MET/CAL [9,10]. Voy a hacer la descripción de las instrucciones para utilizar el programa MET/CAL, diseñado como interface entre la PC y el multicalibrador Fluke modelo 5500, se presenta la aplicación que se realizó al multímetro digital con amperímetro de gancho marca Fluke, modelo 336.
Encabezado.
Todo procedimiento se inicia con el encabezado que contiene la información necesaria para identificar el instrumento de que se trata, la persona que realizó el procedimiento y algunos datos descriptivos como muestra la tabla 4.1. Comisión Federal de Electricidad MET/CAL Procedure ========================================================================== INSTRUMENT: FLUKE 336 DATE: 27-Oct-10 AUTHOR: CFE División Oriente REVISION: $Revision: 1.0 $ ADJUSTMENT THRESHOLD: 70% NUMBER OF TESTS: 7 NUMBER OF LINES: 226 CONFIGURATION: Fluke 5500A ==========================================================================
Tabla 4.1 Encabezado de un procedimiento de calibración.
El encabezado tiene los siguientes datos numerados según se escribe en el editor 5500/EDIT ordenado por renglón:
Nombre del usuario, es proporcionado por el sistema según se declaró al momento de la instalación del sistema. Especifica que se trata de un procedimiento desarrollado con el sistema MET/CAL de Fluke.
Líneas de división, colocadas por el sistema para separar los datos específicos de identificación del procedimiento.
INSTRUMENT: Renglón donde se menciona el instrumento para el cual se desarrolla el procedimiento, además será el nombre que aparezca en el catálogo de procedimientos con que cuenta el sistema. Se debe especificar la vigencia de calibración para el instrumento, el cual, en caso de no estar 68
establecido por el fabricante o por antecedentes en la utilización del multímetro, se otorgará a 1 año, según recomendación de los fabricantes de instrumentos de medición de mayor prestigio. Además se debe especificar el modelo del calibrador que se utilizará, para indicar al usuario la compatibilidad de funciones del equipo contra las funciones que se utilizan en el programa en cuestión.
DATE: Fecha en que fue creado el procedimiento. El sistema proporciona esta información en forma automática al momento de compilar el programa (convertirlo en lenguaje de máquina para que se ejecuten físicamente las instrucciones contenidas en el procedimiento), siempre y cuando no exista error en el mismo.
AUTHOR: Nombre de la persona que desarrolla el procedimiento, puede ser diferente al usuario del sistema.
REVISION: Versión del procedimiento según sea modificado, siempre y cuando se aplique al mismo instrumento. Este dato queda a reserva de la persona que desarrolla el procedimiento.
ADJUSTMENT THRESHOLD: Umbral de ajuste. Se refiere al margen de diferencia entre el valor nominal y el valor indicado en la pantalla del instrumento, para poder evaluar si el multímetro se encuentra en operación normal o al margen de tolerancia, como muestra la figura 4.2. Se especifica al 70% de la exactitud como operación normal, quedando el 30% como operación al margen de tolerancia, siendo ésta una condición crítica en el desempeño del instrumento, ya que al quedar cerca del límite de la exactitud indicada, en cualquier momento puede cambiar su condición de calibrado a no calibrado, por lo que se debe vigilar el desempeño de éste instrumento hasta cumplir el periodo de vigencia de calibración.
NUMBER OF TEST: Es el número de pruebas que se realizan entre el calibrador y el multímetro, están en función de las instrucciones del procedimiento que involucran una evaluación por parte del calibrador.
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Margen de tolerancia de error según la especificación de exactitud para cada rango de operación 15%
70%
15%
Valor nominal
Rango de operación normal Rango de operación o peración marginal marginal Rango de operación fuera de tolerancia
Figura 4.2 Interpretación gráfica del concepto de umbral de ajuste.
NUMBER OF LINES: Es el número de líneas entre encabezado, comentarios e instrucciones de que está compuesto el procedimiento. El sistema actualiza este dato cada vez que se compila el procedimiento.
CONFIGURATION: En ésta línea se especifica el modelo del calibrador que se utiliza como referencia para la programación de las funciones de calibración. Debe estar acorde con el equipo especificado en el nombre del procedimiento.
Líneas de división, colocadas por el sistema para separar los datos específicos de identificación del procedimiento y las declaraciones de instrucciones de operación.
Instrucciones de operación.
El resto del procedimiento comprende las instrucciones de preparación y ejecución de las pruebas de calibración para el instrumento que está siendo evaluado (tabla 4.2).
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STEP FSC RANGE NOMINAL 1.001 ASK- R P 1.002 ASK+ K 1.003 1.003 1.003 1.004 1.004 1.004 1.004 1.005
DISP DISP DISP DISP DISP DISP DISP MATH
TOLERANCE MOD1 F W
MOD2 3 4 CON
Tiempo de calentamiento: NINGUNO Temperatura : 18ºC a 28ºC Humedad relativa : menor al 80% [32] PRECAUCION Se utiliza ALTO VOLTAJE durante el desarrollo de esta calibración. Existe RIESGO MORTAL por contacto si el personal no tiene la debida precaución. S[4]="H"
##### PRUEBA PARA INTENSIDAD DE CORRIENTE CON BOBINA 1.006 PIC F330B 1.007 HEAD {INTENSIDAD DE CORRIENTE 60Hz}
Tabla 4.2 Instrucciones de operación de un procedimiento de calibración.
A continuación se describen los elementos principales con que se formulan las instrucciones de operación, según se presentan la tabla 4.2.
Encabezados de instrucción. Estos encabezados marcan las distancias en columnas entre los elementos que forman parte de una instrucción, mismos que se describen a continuación:
STEP: Número de instrucción. Se compone de dos elementos, una parte entera y una parte decimal. La parte entera especifica el número de prueba. Una prueba se define como la porción de un procedimiento que genera un resultado. La parte decimal identifica cada uno de los pasos que se ejecutan en el procedimiento.
FSC: Código de selección de función. El FSC identifica la instrucción que se va a ejecutar. Los principales códigos FSC se presentan en la tabla 4.3.
RANGE: Rango de operación. Es un campo de 5 caracteres que especifica el rango de operación del instrumento bajo prueba, lo que limitará al multicalibrador en el nivel máximo del valor nominal para cada prueba específica, evitando así dañar el instrumento.
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TIPOS DE C DIGOS DE SELECCI N DE FUNCIONES FSC DE CONTROL DE PROCEDIMIENTOS ASK+ Activa funciones de configuración del sistema ASK Desactiva funciones de configuración del sistema FSC DE CONTROL DE PANTALLA HEAD Presenta un mensaje de encabezado en la ventana del sistema DISP Muestra un mensaje al operador en una ventana especial PIC Muestra un dibujo en la pantalla hecho en mapa de bits de Windows FSC DE EVALUACION MEMC Selecciona PASA o NO PASA la prueba basado en una evaluación numérica PICE Selecciona PASA o NO PASA la prueba basada en una respuesta de opción SI o NO sobre un dibujo de mapa de bits de W indows FSC DE INSTRUMENTO 5500, M550 Operación y configuración del multicalibrador 5500 FSC DE OPERACIÓN DE LOS REGISTROS DE MEMORIA MEME Intercambia los valores de los registros de memoria MEM y MEM1 MEMI Muestra un campo para introducir el dato a colocar en el registro MEM Tabla 4.3 Tipos de códigos de selección de funciones.
NOMINAL: Valor nominal. Especifica el valor nominal del estímulo para una función de la fuente de calibración (por ejemplo para voltaje de corriente alterna). El campo nominal puede tener hasta 14 caracteres de longitud, siguiendo el formato: [Valor numérico][Prefijo]unidades Algunas de las unidades que reconoce el sistema se presentan en la tabla 4.4.
VARIABLE
UNIDADES
Corriente Frecuencia Fase Potencia Resistencia Voltaje
Amperes Hertz Grados Watts Ohms Volts
Nomenclatura del sistema 5500 /CAL A H Deg W Z V
Tabla 4.4 Unidades y nomenclatura del sistema 5500/CAL.
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Los prefijos que reconoce el sistema se presentan en la tabla 4.5.
PREFIJO Pico Nano Micro Mili Kilo Mega Giga
Nomenclatura del sistema 5500 /CAL P n u m k M G
MÚLTIPLO 101010-6 1010 106 10
Tabla 4.5 Prefijos y nomenclatura del sistema 5500/CAL
TOLERANCE: Tolerancia en relación a la exactitud. Indica la tolerancia con que el valor indicado en el instrumento bajo prueba será evaluado. Este campo puede tener hasta 13 caracteres incluyendo espacios. Cualquier combinación, hasta 3 formatos de especificación pueden usarse según la guía de la tabla 4.6.
FORMATO <% del valor nominal> % <% del rango de operación> /
P% P/ U
ESPECIFICACIÓN DE TOLERANCIA Exactitud con respecto al valor nominal medido Exactitud en porcentaje con respecto al valor máximo del rango que afecta cualquier magnitud medida Esta especificación está dada en partes por millón del valor nominal Esta especificación está dada en partes por millón con respecto al valor máximo del rango Son unidades del mismo tipo que se declaran en el campo NOMINAL, están en relación a la especificación de exactitud con respecto a los dígitos de resolución.
Tabla 4.6 Formato de especificación de tolerancia del sistema 5500/CAL.
MOD1: Este campo especifica la frecuencia, periodo o amplitud de una señal periódica, nivel de voltaje, corriente o potencia para activar las terminales de voltaje y corriente del patrón en forma simultánea, o se puede dejar en blanco según se requiera.
MOD2: Este campo especifica el tipo de forma de onda de voltaje o corriente según se especificó en el campo NOMINAL o en MOD1. Las declaraciones de la tabla 4.7 son válidas para el campo MOD2 73
Formato de la declaración Vacio
SI SQ TI TS
Forma de onda Corriente Directa o no aplica señal Onda senoidal Onda cuadrada Onda triangular Onda senoidal recortada
Tabla 4.7 Declaraciones de forma de onda del sistema 5500/CAL.
MOD 3: Este campo especifica el modo de salida de señal del calibrador, con espacio para 2 caracteres que se muestran en la tabla 4.8.
Formato de la declaración Vacio
AX BV BC SC
Tipo de señal Configuración de fábrica Voltaje auxiliar (excitación) Voltaje amplificado (accesorio) Corriente amplificada (accesorio) Osciloscopio (accesorio)
Tabla 4.8 Declaraciones del tipo de salida de señal en el sistema 5500/CAL.
MOD 4: Este campo especifica el tipo de prueba que se va a realizar y puede contener solo un carácter como se muestra en la tabla 4.9.
Formato de la declaración Vacio
S N C
Tipo de prueba Prueba de evaluación Configuración del estímulo utilizado para la prueba Valor nominal utilizado para los cálculos de la prueba Prueba de comparación donde el valor nominal de la prueba se utiliza como referencia (ej: ajuste de cero Ohms)
Tabla 4.9 Declaraciones de forma de onda del sistema 5500/CAL.
CON: Este campo especifica la conexión entre el instrumento bajo prueba y el multicalibrador. Las principales declaraciones de conexión se muestran en la tabla 4.10.
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Formato de la declaración 2W 3W 4W CW T5
Tipo de conexión Conexión a 2 hilos Conexión a 3 hilos Conexión a 4 hilos Conexión a 2 hilos para la función de ohms compensada en las terminales del instrumento bajo prueba Conexión a 2 hilos hacia una bobina toroidal de 50 vueltas para prueba de corriente en multímetros de gancho
Tabla 4.10 Declaraciones de forma de onda del sistema 5500/CAL.
Prueba de evaluación. En una prueba de evaluación, el multicalibrador aplica un valor conocido al instrumento bajo prueba y lo compara contra la lectura en la pantalla del instrumento para determinar si se encuentra dentro del margen de tolerancia especificada. Una prueba de evaluación puede tener instrucciones de conexión y operación del instrumento bajo prueba y configuración del multicalibrador, previas a la evaluación.
Procedimiento Fluke 336 (1 año) con Met/cal/5500.
A continuación se presenta el documento del procedimiento para calibrar el multímetro Fluke 336, el cual cumple con los requisitos de ISO 9001 párrafo 4.11c. El multímetro digital Fluke 336, que se muestra en la figura 4.3.
75
Figura 4.3 Multímetro digital Fluke 336
-
Descripción del instrumento.
El Fluke 336 TRMS AC/DC, pinza amperimétrica le proporciona la capacidad de trabajar de forma rápida y fácilmente en lugares estrechos y oscuros, y permite llevar un registro de las mediciones para su posterior análisis. El Fluke 336 Pinza amperimétrica ofrece un diseño que es compacto y ligero, y la funcionalidad que le permite tomar mediciones que son más precisos y cuenta con una pantalla grande que está a contraluz para lecturas se pueden tomar en casi cualquier situación de luz, Auto-Apagado, etc. El Fluke 336 proporciona medidas TRMS de AC/DC, por medio de su pinza amperimétrica puede medir corrientes de AC/DC con rango de hasta 600 A y voltajes AC/DC de hasta 600 V. También las medidas de continuidad. Las especificaciones del Fluke 336 son presentadas a continuación en la figura 4.4 las cuales son útiles para saber en qué puntos se le va a hacer la calibración.
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Figura 4.4 Especificaciones técnicas del multímetro Fluke 336 en Internet
Para obtener los datos de operación del multímetro y poder adecuar las instrucciones de prueba de calibración, se consultó la página en internet del fabricante Fluke, buscando las especificaciones técnicas del multímetro modelo 336 [11].
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Los datos que necesitaremos se presentan en la tabla 4.11, siendo ésta la fuente de información de las consideraciones que se hicieron para evaluar el desempeño de las funciones del instrumento.
Especificaciones técnicas del multímetro digital con gancho de corriente Fluke 336 Condiciones ambientales Temperatura ambiente Humedad relativa 23 ºC +/- 5 ºC De 0% a 90% Especificaciones eléctricas Variable Rango Exactitud Corriente alterna ±2 0 – 600.0 A (50 Hz/60 Hz) % lect.+5 dig. Corriente directa 0 – 600.0 A ± 2 % lect.+5 dig. Voltaje de CA 0 – 600.00 V ± 1 % lect.+5 dig. Voltaje de CD 0 – 600.0 V ± 1 % lect.+5 dig. 0 – 600.0 Ω ± 1.5 % lect.+5 dig. Resistencia 600 – 6000 Ω ± 1.5 % lect.+5 dig. Tabla 4.11 Resumen de especificaciones del multímetro digital Fluke 336.
Debido al acreditamiento del laboratorio ante EMA e ISO solo se calibran en la función de voltaje y corriente alterna, a 60hz; al 10, 50 y 90% de su intervalo de medición. Una vez que se recabó la información del instrumento, se procede a establecer los datos generales y las instrucciones que forman parte del procedimiento que será ejecutado en la computadora asociada al multicalibrador. Los datos particulares del responsable y del instrumento se encuentran en una base de datos, misma que es consultada y de ser necesario es actualizada al inicio de cada procedimiento de calibración, por lo que se hará mención a estos datos y comó el sistema los maneja. También se presentan los documentos en que se registra el resultado de la calibración.
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4.4 Pruebas.
Para iniciar el programa seguiremos la siguiente ruta: Inicio- Programas- Fluke Metrology- Software- 5500_Cal Run Time, como lo podemos ver en la siguiente figura 4.5.
Figura 4.5 Ruta del programa
Registro de entrada al sistema de calibración. Es necesario estar en la base de datos del sistema para poder operar, ese control lo establece el jefe del laboratorio el cual es el encargado de evaluar según su criterio, la capacidad del personal para realizar una calibración. Si la persona es apta para esta labor, sus datos son agregados a la base de datos del sistema y se le asigna una clave de entrada al sistema de calibración, misma que es solicitada cada vez que se inicia el sistema, como lo vemos en la siguiente figura 4.6.
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Figura 4.6 Registro de entrada al sistema de calibración.
Registro de los datos del instrumento y del patrón de referencia. Para cumplir con lo referente a ISO 9001 párrafo 4.11b en cuanto a trazabilidad, se deben registrar los datos del instrumento y del patrón de referencia con que es calibrado. Los datos que se deben registrar son los siguientes:
-
Fabricante: FLUKE.
-
Modelo: 336.
-
Vigencia de la calibración. Los principales fabricantes de instrumentos de medición sugieren otorgar una vigencia de calibración de 2 años hasta contar con un registro estadístico que sustente la necesidad de cambiar este periodo. Como se cuenta con un equipo de calibración que puede ser automatizado, el proceso de calibración se simplifica, por lo que se le otorga una vigencia de calibración de 1 año (12 meses).
-
Patrón de referencia. Se debe especificar el número de serie, fabricante, modelo y vigencia de calibración del patrón de referencia.
Estos datos son referidos en el encabezado del procedimiento y se presentan en la tabla 4.1. 80
-
Número de inventario: Igual al número de serie del instrumento.
-
Descripción: Multímetro digital de gancho.
-
Serie: El número de serie del instrumento.
-
Intervalo de calibración: El mismo que se declaró en el procedimiento, expresado en meses.
Estos datos se consultan al inicio de la calibración en la base de datos, con referencia al número de inventario. Si no existen, el sistema presenta una pantalla de actualización para dar de alta el instrumento en particular dentro del sistema de calibración, como se observa en la figura 4.7.
Figura 4.7 Registro de los datos del instrumento.
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Registro de los datos de la calibración.
Para cumplir con lo referente a ISO 9001 párrafo 4.11f en cuanto a registros de calibración y párrafo 4.11h referente a condiciones ambientales [3], se deben registrar los datos siguientes:
-
Sellos de calibración anterior. Se especifica “Y” si el equipo cuenta con la etiqueta de la calibración anterior o “N” si la etiqueta está dañada o no
se encuentra.
-
Condiciones ambientales. Se deben registrar las condiciones ambientales del área al momento de realizar una calibración.
-
Asignación de un número de orden de calibración de acuerdo a la bitácora de calibración del departamento.
El sistema presenta una ventana para registrar las condiciones del equipo y del área de trabajo al momento de realizar la calibración, como muestra la figura 4.8.
Figura 4.8 Registro de las condiciones en que se realiza la calibración.
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4.5 Método de Calibración y Resultados. El método de calibración comprende la preparación y comparación del instrumento contra el patrón de referencia. Aquí se presenta la descripción de la instrucción y su codificación en el editor 5500/CAL.
Preparación del instrumento y del patrón.
Según especifique el fabricante, se debe preparar el instrumento y el patrón con los accesorios y las operaciones necesarias para que se encuentren en condiciones de operación dentro de la exactitud especificada.
-
Encendido del patrón. El patrón de referencia Fluke 5500A, debe encenderse 30 minutos antes de realizar cualquier calibración, para que alcance la estabilidad térmica que le permita reproducir las variables eléctricas de trabajo, con la exactitud especificada por el fabricante. Esto debe ser conocido por la persona que realiza la calibración.
-
Encendido del instrumento. No se especifica tiempo de encendido por parte del fabricante, por lo que se puede encender al momento de realizar la calibración.
-
Accesorios. Se debe contar con los cables adecuados para realizar las comparaciones entre el patrón y el instrumento, mismos que el fabricante del multicalibrador entrega con el equipo. Se debe contar con una bobina de corriente de 50 vueltas para la calibración del gancho de corriente del instrumento similar a la 5500A/COIL de Fluke. Esto se especifica en los diagramas de conexión de las pruebas que forman parte de este procedimiento, mismos que se presentan más adelante.
-
Precaución. Para cumplir con lo establecido en ISO 9001 párrafo 4.11 en lo referente a seguridad, se advierte al usuario que se va a trabajar con niveles de voltaje que representan un riesgo a la integridad física del 83
operador por lo que debe observar las normas de seguridad implementadas en el centro de trabajo. Las instrucciones de automatización en el sistema 5500/CAL, se presentan en la tabla 4.12. 1.003 1.003 1.003 1.004 1.004 1.004 1.004
DISP DISP DISP DISP DISP DISP DISP
Tiempo de calentamiento: NINGUNO Temperatura : 18ºC a 28ºC Humedad relativa : menor al 80% [32] PRECAUCION Se utiliza ALTO VOLTAJE durante el desarrollo de esta calibración. Existe RIESGO MORTAL por contacto si el personal no tiene la debida precaución.
Tabla 4.12 Instrucciones previas a la calibración.
Y como se muestra a continuación es como se observan las correspondientes pantallas figuras 4.9 y 4.10.
Figura 4.9 Condiciones ideales climatológicas.
Figura 4.10 Aviso de precaución.
Funcionamiento del instrumento.
Para proceder a la comparación del instrumento contra el patrón de referencia, se inspecciona el equipo tomando en cuenta:
-
Fusibles. Los fusibles deben estar en buen estado y deben ser de la capacidad de corriente que indica el fabricante del instrumento. Se reemplazan si es necesario. 84
-
Batería. Las baterías deben estar en buen estado y deben ser del tipo que indica el fabricante del instrumento.(2 baterías tipo “AA” de 1.5 V). Se reemplazan si es necesario.
-
Prueba de la pantalla. Para el modelo 336, la prueba de la pantalla es girando el medidor mientras se mantiene pulsado el botón de corriente de irrupción. Revise todos los segmentos de claridad y contraste. Ver la Figura 4.11.
Figura 4.11 Prueba de la Pantalla.
-
Prueba de luz de fondo. El 336 están equipado con una iluminación de
la pantalla. Para probar la luz de fondo, presione
. La luz de fondo se
encenderá y la unidad emitirá un pitido. Para apagar la luz de fondo, pulse un segundo. Vea la Figura 4.12.
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Figura 4.12 Prueba de la luz de fondo.
-
Prueba de Teclado.
Para probar el teclado, encender el medidor y empuje cada botón por separado. Cada vez que pulse el botón hará un sonido el medidor.
Comparación del instrumento contra el patrón.
-
Calibración de corriente alterna. Rango de entrada de 600 A. Se deben conectar el patrón, el instrumento y la bobina de calibración de corriente como muestra la figura 4.13.
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Figura 4.13 Conexión del instrumento para la calibración de corriente.
Información de selección de función para el instrumento (figura4.14).
Figura 4.14 Selección de función.
Y se realizan las pruebas de corriente seleccionando los siguientes parámetros en el multicalibrador:
-
1.2 A, 60 Hz (figura 4.15). Lo que genera 60 amperes en la bobina de corriente (figura 4.16). Se registra la lectura de corriente en el instrumento (figura 4.17). Así mismo sucesivamente.
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Figura 4.15 Salida del equipo patrón.
Figura 4.16 Lectura de instrumento sobre la bobina de 50 vueltas.
Figura 4.17 Registro de lectura.
-
6.0 A, 60 Hz. Lo que genera 300 amperes en la bobina de corriente. Se
registra la lectura de corriente en el instrumento.
88
-
10.8 A, 60 Hz. Lo que genera 540 amperes en la bobina de corriente. Se
registra la lectura de corriente en el instrumento. -
Se evalúa el resultado según las lecturas obtenidas en el instrumento
contra los valores de la tabla 4.13. Fuera de especificac ión
Operación al margen
Menor de
Límite inferior
Límite inferior
Valor nominal
Límite superior
Límite inferior
Mayor de
58,8 A
58,8 A
59,16 A
60 A
60,84 A
61,2 A
61,2 A
294 A
294 A
295,8 A
300 A
304,2 A
306 A
306 A
529,2 A
529,2 A
532,44 A
540 A
547,56 A
550,8 A
550,8 A
Operación normal
Fuera de Operación especificac al margen ión
Tabla 4.13 Evaluación del resultado de calibración de corriente.
-
La tabla 4.14 muestra las instrucciones para conectar los equipos
(Instrucción PIC) y configurar el multicalibrador para la salida de corriente alterna a 60 Hz.(Instrucción 5500). 1.006 1.008 1.009 1.010 2.002 3.002
PIC HEAD DISP 5500 5500 5500
F330B {ALCANCE: 600A} SELECCIONE LA FUNCIÓN DE A C.A. 60A 60H SI S T5 300A 60H SI S T5 540A 60H SI S T5
Tabla 4.14 Instrucciones para la calibración de corriente.
-
Calibración de voltaje de CA. Rango de 600 VCA. Se deberá seleccionar la función de Vca. El sistema nos lo indica como se muestra en la figura 4.18.
Figura 4.18 Selección de función.
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Y se deberán conectar los cables de prueba a las entradas de voltaje del instrumento como muestra la figura 4.19.
Figura 4.19 Conexión del instrumento para la calibración de voltaje.
Se realizan las pruebas de voltaje seleccionando los siguientes parámetros en el multicalibrador:
-
60.0 V, 60 Hz. Se registra la lectura de voltaje en el instrumento.
-
300.0 V, 60 Hz. Se registra la lectura de voltaje en el instrumento.
-
540.0 V, 60 Hz. Se registra la lectura de voltaje en el instrumento.
-
Se evalúa el resultado según las lecturas obtenidas en el instrumento contra los valores de la tabla 4.15. Fuera de especificac ión
Operación al margen
Menor de
Límite inferior
Límite inferior
Valor nominal
Límite superior
Límite inferior
Mayor de
59,4 V
59,4 V
54,18 V
60 V
60,42 V
60,6 V
60,6 V
297 V
297 V
270,9 V
300 V
302,1 V
303 V
303 V
534,6 V
534,6 V
487,62 V
540 V
543,78 V
545,4 V
545,4 V
Operación normal
Fuera de Operación especificac al margen ión
Tabla 4.15 Evaluación del resultado de calibración de voltaje.
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-
La tabla 4.16 muestra las instrucciones para conectar los equipos
(Instrucción PIC) y configurar el multicalibrador para la salida de corriente alterna a 60 Hz. (Instrucción 5500). 4.003 4.004 4.005 4.006 5.002 6.002
PIC HEAD HEAD 5500 5500 5500
F330T {TENSION 60Hz} {ALCANCE: 600V} 60V 60H 300V 60H 540V 60H
SI S 2W SI S 2W SI S 2W
Tabla 4.16 Instrucciones para la calibración de voltaje.
-
Informe de la calibración.
Este documento se emite en cumplimiento con lo establecido en ISO 9001 párrafo 4.11f donde se establece que se debe mantener registros de calibración de los equipos de inspección, medición y prueba, además de ser fuente de información para establecer un historial del desempeño del instrumento (figura 4.20). 1.-
Identificación del instrumento que se trata. Se especifica fabricante, modelo, número de serie y número de inventario.
2.-
Resultado. Se especifica “ CUMPLE” si es que pasó las especificaciones
del fabricante en todas las pruebas que se realizan en la calibración. En caso de que falle se especifica “ NO CUMPLE”. 3.-
Fecha en que se realizó la calibración.
4.-
Nombre de la persona que realizó la calibración.
5.-
Condiciones ambientales en que se desarrolló la calibración (ISO 9001 párrafo 4.11h).
6.-
Se especifica si el instrumento se deja operando como se encontró (ENCONTRADO) o si se le hizo algún ajuste en el taller (DEJADO).
7.-
Nota de referencia de alguna anomalía que se haya presentado durante la calibración. 91
8.-
Datos del patrón de referencia para la identificación de la cadena de trazabilidad del instrumento. (ISO 9001 párrafo 4.11b).
9.-
Datos de la prueba. Resultados de cada una de las comparaciones que se realizó (ISO 9001 párrafo 4.11f), teniendo en cuenta:
-
Colocar el encabezado de identificación del tipo de prueba que se realizó.
-
Lectura. Lectura registrada en la pantalla del instrumento.
-
Error. Es la diferencia entre la lectura y el parámetro del patrón para cada prueba.
-
Incertidumbre. Incertidumbre que presentó el instrumento en cada prueba.
10.- Numeración de las páginas. Esto se hace necesario ya que el formato se utilizará para cualquier instrumento y el número de pruebas puede variar, dependiendo de las funciones de cada instrumento.
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Figura 4.20 Informe de la calibración
93
-
Etiquetado del equipo.
El etiquetado de equipo se utiliza para cumplir con lo establecido en ISO 9001 párrafo 4.11e y se debe colocar en la cubierta principal del instrumento, que no se pueda separar (por ejemplo la tapa para fusibles y baterías), de preferencia cubriendo una unión o un tornillo de ensamble para evitar que el equipo sea manipulado internamente, alterando las condiciones de operación que el instrumento presentó durante la calibración. Los datos que se muestran en la etiqueta son: 1.-
Área de responsabilidad. Identificación del laboratorio en la empresa.
2.-
Encabezado. El área de encabezado lleva la leyenda del estado de calibración del instrumento.
3.-
Número de orden.
4.-
Número de serie del instrumento.
5.-
Fecha de calibración y fecha de vencimiento según se estableció en la vigencia de calibración.
6.-
R.P.E. Registro permanente de empleado, asignado por la empresa.
-
Etiqueta de equipo que CUMPLE. Esta etiqueta se coloca en el instrumento que haya cumplido con las especificaciones del fabricante en cuanto a exactitud, en todas las pruebas que se realizaron. La etiqueta se muestra en la figura 4.21.
Figura 4.21 Etiqueta de equipo que CUMPLE.
-
Etiqueta de USO LIMITADO. Esta etiqueta se coloca en el instrumento que cumpla con las especificaciones del fabricante en cuanto a exactitud, 94
en la mayoría de las pruebas que se realizaron. La colocación de ésta etiqueta queda a criterio del administrador del laboratorio, dependiendo del campo de aplicación del instrumento. Esta etiqueta se muestra en la figura 4.22.
Figura 4.22 Etiqueta de USO LIMITADO.
-
Etiqueta de NO CUMPLE. Esta etiqueta se coloca en el instrumento que no cumpla con las especificaciones del fabricante en cuanto a exactitud o que presente algún daño funcional. Esta etiqueta se muestra en la figura 4.23.
Figura 2.23 Etiqueta de NO CUMPLE.
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CONCLUSIONES.
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CONCLUSIONES. El proceso de automatización de calibración de multímetros digitales que nos permite Met/Cal, ha permitido agilizar el proceso de calibración, sin embargo se presentan dos retos a vencer: 1.Obtener toda la información necesaria para establecer los procedimientos de los diversos instrumentos de medición, digitales y analógicos, algunos de los cuales ya están fuera del mercado pero se siguen usando. 2.Obtener los manuales de servicio técnico de los instrumentos de medición, para poder implementar el mantenimiento y ajuste de los equipos. Por otra parte, el análisis del desempeño del equipo de inspección, medición y prueba, proporciona bases sólidas para establecer las características que deben tener los instrumentos de nueva adquisición, así como los documentos que los deben acompañar, como son el certificado de calibración del fabric ante, la carta de especificaciones e instructivo de operación y adicionalmente a un lote de equipos, el manual de servicio del fabricante. La automatización del proceso de calibración por medio de Met/Cal, abre el camino para la automatización del proceso de ajuste de equipos más nuevos del mercado, lo que permitirá dar un mejor servicio a menor número de horas hombre. Sin embargo esto implica que el personal técnico esté más capacitado y actualizado al pie de las nuevas tecnología y equipos que va adquiriendo el laboratorio. Al tener claros los antecedentes antes al calibrar, se logra una forma de calibrar compresible y completa, la cual incrementará la calidad del servicio que se brinda, cumpliendo así con el principal objetivo de la certificación ISO 9000. Por último esta nos ayuda a comprender desde los conceptos, la calibración, el analizar de incertidumbre, una mejor comprensión del programa Met/Cal, y sus resultados. Entendiendo así uno de los procedimientos de muchos que hay, pero con este se podrá entender los demás ya que son muy similares ayudándonos de esta base.
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BIBLIOGRAFÍA.
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