Interpretar correctamente la potencia de medición y las especificaciones

Fig. 1. Repetibilidad

Fig. 2. Función de transferencia

Fig. 3. No linealidad

Fig. 4. Histéresis

Fig. 5: Comparación de las especificaciones de precisión en las especificaciones de tres fabricantes de un medidor de humedad de alta precisión.

Glosario

La calidad de un instrumento de medición a menudo se reduce a una pregunta sencilla: ¿Qué tan precisa es la medición? Por simple que parezca esta pregunta, no siempre es fácil de responder. Para elegir el instrumento de medición más adecuado, es necesario conocer los factores que contribuyen a la incertidumbre de una medición. Solo así se puede entender qué dicen las especificaciones — y qué no.

El rendimiento de medición se determina por su dinámica (rango de medición, tiempo de respuesta), precisión (repetibilidad, exactitud y sensibilidad) y estabilidad (resistencia al desgaste, uso en condiciones ambientales extremas). La exactitud suele considerarse la propiedad más importante, pero al mismo tiempo es una de las características más difíciles de especificar.

Sensibilidad y exactitud

El cambio en el valor de la variable de salida de un instrumento de medición en relación con el cambio en el valor de referencia se denomina sensibilidad. En teoría, esta relación es perfectamente lineal. En la práctica, todas las mediciones presentan ciertas imperfecciones o incertidumbres.

Con frecuencia, la concordancia entre el valor medido y el valor de referencia se denomina simplemente "exactitud", pero esta expresión es algo vaga. La exactitud especificada generalmente incluye la repetibilidad, es decir, la capacidad del dispositivo para proporcionar el mismo resultado cuando la medición se repite bajo condiciones constantes (Fig. 1). Sin embargo, puede incluir también histéresis, dependencia de la temperatura, no linealidad y estabilidad a largo plazo. La repetibilidad por sí sola suele ser una fuente menor de incertidumbre de medición. Si la especificación de exactitud no indica otras incertidumbres, puede dar una impresión errónea del rendimiento real de la medición.

La relación entre los valores medidos y un valor de referencia conocido se denomina a menudo función de transferencia (Fig. 2). Al calibrar una medición, esta relación se ajusta finamente en función de un valor de referencia de calibración conocido. En el ideal, la función de transferencia es perfectamente lineal en todo el rango de medición. Sin embargo, en la práctica, la sensibilidad puede variar en función del tamaño de la medición. Este tipo de imperfección se denomina a menudo no linealidad (Fig. 3). Este efecto se intensifica en los límites superior e inferior del rango de medición (extremos). Por ello, es recomendable verificar si la no linealidad está considerada en la especificación de exactitud y si la exactitud se indica para todo el rango de medición. Si no es así, pueden existir dudas sobre la precisión en los extremos.

La histéresis es el cambio en la sensibilidad del instrumento que depende de la dirección del cambio en la variable de medición (Fig. 4). Esto puede ser una causa importante de incertidumbre en la medición de humedad en sensores fabricados con materiales con fuerte unión a moléculas de agua. Si la especificación de exactitud no menciona la consideración de la histéresis, esta fuente de inexactitud permanece sin aclarar. Además, si la secuencia de calibración solo se realiza en una dirección, el efecto de histéresis durante la calibración puede enmascararse. Si en la especificación no se incluyen datos sobre la histéresis, también será imposible determinar la magnitud de la histéresis en la medición. Los sensores de polímero de película delgada de Vaisala presentan una histéresis insignificante, que siempre está incluida en la exactitud especificada.

Las condiciones ambientales, como temperatura y presión, también afectan la precisión de la medición. Si la dependencia de la temperatura no está especificada y la temperatura de operación varía significativamente, esto puede afectar la repetibilidad. La especificación puede referirse a toda la gama de temperaturas de operación o solo a un rango específico, limitado o "típico". Este tipo de especificaciones no consideran otros rangos de temperatura.

Estabilidad y selectividad

La sensibilidad de un instrumento puede cambiar con el tiempo debido al envejecimiento. En ocasiones, este efecto se intensifica por la acción de productos químicos. Si la estabilidad a largo plazo no está especificada o si el fabricante no puede ofrecer recomendaciones sobre el intervalo de calibración promedio, la especificación solo se refiere a la precisión en el momento de la calibración. Una variación lenta de la sensibilidad (a veces llamada deriva) es peligrosa, ya que puede ser difícil de detectar y causar problemas latentes en los sistemas de control. La selectividad se define como la insensibilidad del instrumento ante cambios en factores distintos a la variable de medición real. Por ejemplo, si las mediciones de humedad se realizan en una atmósfera que contiene ciertos productos químicos, estos pueden influir en el resultado de la medición. Este efecto puede ser reversible o irreversible. La reacción a ciertos productos químicos a veces es extremadamente lenta, y esta sensibilidad cruzada puede confundirse fácilmente con una deriva. Un dispositivo con buena selectividad no reacciona a cambios que no tienen relación con el valor de medición real.

Calibración y incertidumbre

Si la medición difiere del valor de referencia, la sensibilidad del dispositivo puede corregirse. Este proceso se llama ajuste. El ajuste realizado en un solo punto se denomina corrección de desplazamiento: el ajuste de dos puntos es una corrección lineal del desplazamiento y la ganancia o sensibilidad. Cuando la medición debe ajustarse en varios puntos, esto puede indicar una linealidad deficiente que debe compensarse mediante correcciones no lineales de múltiples puntos. Además, si los puntos de ajuste coinciden con los puntos de calibración, la calidad de la medición entre estos puntos no se verifica.

Una vez ajustado, el dispositivo se calibra para verificar su precisión. La calibración, que a veces se confunde con el ajuste, consiste en comparar el valor medido con un valor de referencia conocido, denominado estándar de referencia. Este estándar es el primer elemento en la cadena de trazabilidad, que abarca una serie de calibraciones y referencias hasta el estándar primario. Un conjunto de dispositivos calibrados en función de un valor de medición específico puede ser preciso entre sí (alta precisión), pero si no se indica la incertidumbre de calibración, no se puede verificar la exactitud absoluta respecto al estándar primario. La trazabilidad de la calibración significa que la cadena de mediciones, referencias y las incertidumbres asociadas hasta el estándar primario están documentadas de manera profesional y transparente. Así, se puede calcular la incertidumbre del valor de referencia de calibración y determinar la precisión del dispositivo.

¿Qué significa "precisión suficiente"?

Al elegir un instrumento de medición, la precisión requerida debe considerarse en la evaluación. En un sistema de ventilación estándar que regula, por ejemplo, la humedad relativa para un clima interior cómodo, una tolerancia de ±5 % rF probablemente sea suficiente. Pero en aplicaciones como el control de una torre de enfriamiento, se requiere una regulación más precisa con límites más estrechos para mejorar la eficiencia operativa.

Cuando el valor medido se utiliza como señal de control, la repetibilidad y la estabilidad a largo plazo (precisión) son importantes, mientras que la precisión absoluta respecto a un valor de referencia trazable tiene un papel secundario. Esto es especialmente cierto en procesos dinámicos donde las variaciones de temperatura y humedad son grandes y donde la estabilidad de la medición, y no la precisión absoluta, es crucial.

Por otro lado, si la medición se realiza, por ejemplo, para verificar si las condiciones de prueba en un laboratorio son comparables con las de otros laboratorios, entonces la precisión absoluta y la trazabilidad de la calibración son de mayor importancia. Un ejemplo de este tipo de requisito de precisión es la norma TAPPI/ANSI T402 "Condiciones de acondicionamiento y atmosféricas para pruebas de papel, cartón, pulpa en hojas y productos relacionados", que establece los valores para las condiciones de prueba en un laboratorio de pruebas de papel en 23 ±1 °C y 50 ±2 % rF. Si la precisión especificada es de ±1.5 % rF, pero la incertidumbre de calibración es de ±1.6 % rF, la incertidumbre total respecto al estándar de calibración primario estaría fuera de la especificación. Los análisis — que dependen en gran medida de la humedad ambiental en la instalación de pruebas — no serían comparables. En este caso, no sería posible confirmar que los análisis se realizaron en condiciones estándar.

Una especificación de precisión sin información sobre la incertidumbre del valor de referencia de calibración deja indefinida la precisión absoluta del dispositivo.

Es parte del compromiso de Vaisala ofrecer especificaciones profesionales y completas, basadas en normas internacionales, métodos de prueba científicos y datos empíricos. Así, nuestros clientes pueden confiar en información exhaustiva y fiable al seleccionar productos adecuados.

Lista de verificación para la elección de un instrumento de medición

- ¿Incluye la precisión especificada todas las incertidumbres potenciales: repetibilidad, no linealidad, histéresis y estabilidad a largo plazo?
- ¿Se refiere la precisión especificada a todo el rango de medición, o está limitada a un rango específico? ¿Se indica la dependencia de la temperatura en la especificación y se define el rango de temperatura en la especificación de precisión?
- ¿Puede el fabricante presentar un certificado de calibración adecuado? ¿Incluye el certificado información sobre el método de calibración, los valores de referencia utilizados y la incertidumbre calculada profesionalmente del valor de referencia? ¿Contiene el certificado más de uno o dos puntos de calibración y cubre todo el rango de medición?
- ¿Se proporciona una recomendación sobre el intervalo de calibración, y está incluida la estabilidad a largo plazo en la especificación de precisión? ¿Qué grado de selectividad es necesario en el entorno operativo previsto? ¿Puede el fabricante proporcionar información o referencias respecto a la idoneidad del dispositivo para el entorno y la aplicación previstos?