Equipos de Medida - CNS - v1.0 PDF

EQUIPOS DE MEDIDA (CNS) Fecha: 07/2024 ÍNDICE 1. METROLOGÍA........................................................................................................ 13 1.1. INTRODUCCIÓN................................................................................................. 13 1.2. LEGISLACIÓN METROLÓGICA......................................................................... 13 1.2.1. CENTRO ESPAÑOL DE METROLOGÍA (CEM)............................................ 14 1.2.2. CEM, ENAC y UNE........................................................................................ 14 1.3. CONCEPTOS DE METROLÓGICA APLICADA.................................................. 15 1.3.1. ACREDITACIÓN............................................................................................ 15 1.3.2. EVALUACIÓN DE CONFORMIDAD.............................................................. 15 1.3.3. MAGNITUDES FÍSICAS................................................................................ 16 1.3.4. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES................................................ 16 1.3.5. INCERTIDUMBRE DE MEDIDA TÍPICA, COMBINADA Y EXPANDIDA....... 22 1.3.6. GUÍA PARA LA EXPRESIÓN DE LA INCERTIDUMBRE EN LA MEDICIÓN. 27 1.3.7. INCERTIDUMBRE, CALIBRACIÓN Y TRAZABILIDAD................................. 27 2. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS DE MEDIDA................ 32 2.1. MAGNITUDES ELÉCTRICAS............................................................................. 32 2.1.1. DIFERENCIA DE POTENCIAL...................................................................... 32 2.1.2. CORRIENTE ELÉCTRICA............................................................................. 32 2.1.3. RESISTENCIA ELÉCTRICA.......................................................................... 33 2.1.4. CAPACIDAD.................................................................................................. 33 2.1.5. INDUCTANCIA............................................................................................... 34 2.1.6. REACTANCIA INDUCTIVA Y CAPACITIVA.................................................. 34 2.1.7. IMPEDANCIA................................................................................................. 35 2.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS DE MEDIDA....................................... 36 2.2.1. TECNOLOGÍA EMPLEADA........................................................................... 36 2.2.2. RESOLUCIÓN DE MEDIDA: RANGO, FONDO Y FACTOR DE ESCALA..... 37 2.2.3. MARGEN DINÁMICO.................................................................................... 39 2.2.4. SENSIBILIDAD.............................................................................................. 39 2.2.5. SELECTIVIDAD............................................................................................. 39 2.2.6. ESTABILIDAD................................................................................................ 39 2.2.7. LINEALIDAD.................................................................................................. 39 /2 2.2.8. IMPEDANCIA DE ENTRADA Y SALIDA........................................................ 40 2.2.9. VELOCIDAD DE RESPUESTA...................................................................... 41 2.2.10. HISTÉRESIS.............................................................................................. 41 2.3. TIPOS DE SENSORES....................................................................................... 41 2.3.1. SEGÚN SU PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.......................................... 42 2.3.2. SEGÚN EL TIPO DE SEÑAL ELÉCTRICA /RANGO DE VALORES QUE GENERAN.................................................................................................................. 42 2.3.3. SEGÚN EL TIPO DE MAGNITUD FÍSICA A DETECTAR.............................. 43 2.3.4. SEGÚN EL NIVEL DE INTEGRACIÓN.......................................................... 43 2.4. INSTRUMENTOS DE MEDIDA ANALÓGICOS.................................................. 43 2.4.1. INSTRUMENTOS DE MEDIDA MAGNETOELÉCTRICOS............................ 44 2.4.2. INSTRUMENTOS DE MEDIDA ELECTROMAGNÉTICOS............................ 44 2.4.3. INSTRUMENTOS DE MEDIDA ELECTRODINÁMICOS............................... 45 2.4.4. INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE INDUCCIÓN.......................................... 46 2.4.5. INSTRUMENTOS DE MEDIDA ELECTROTÉRMICOS................................. 46 2.4.6. INSTRUMENTOS DE MEDIDA ELECTROESTÁTICOS................................ 47 2.4.7. EL PUENTE WHEATSTONE......................................................................... 47 2.4.8. EL DIVISOR DE TENSIÓN............................................................................ 48 2.4.9. EL DIVISOR DE CORRIENTE....................................................................... 49 2.4.10. AMPLIFICADORES OPERACIONALES..................................................... 50 2.5. RUIDO................................................................................................................. 55 2.5.1. MEDIDAS EN ALTA Y BAJA IMPEDANCIA.................................................. 56 3. CONECTORES Y ADAPTADORES....................................................................... 57 3.1. CONECTORES RF............................................................................................. 57 3.1.1. ELECCIÓN DEL CONECTOR RF APROPIADO........................................... 61 3.2. CONECTORES DE FIBRA ÓPTICA................................................................... 62 3.3. CONECTORES DE RED..................................................................................... 63 3.3.1. CONECTOR RJ11......................................................................................... 63 3.3.2. CONECTOR RJ45......................................................................................... 63 3.3.3. CONECTOR RJ50......................................................................................... 64 4. CABLES.................................................................................................................. 65 4.1. CABLES RF......................................................................................................... 65 4.2. FIBRA ÓPTICA.................................................................................................... 66 /3 4.2.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO............................................................. 67 4.2.2. APLICACIONES DE LA FIBRA ÓPTICA........................................................ 68 4.2.3. TIPOS DE FIBRA ÓPTICA SEGÚN SU ARQUITECTURA............................ 68 4.2.4. TIPOS SEGÚN SU MODO DE PROPAGACIÓN........................................... 69 4.2.5. TIPOS DE PULIDO DE LOS EXTREMOS..................................................... 70 4.2.6. LIMPIEZA DE LA FIBRA ÓPTICA.................................................................. 71 4.3. CABLES DE RED................................................................................................ 72 4.3.1. TIPOS DE CABLE DE RED........................................................................... 73 4.3.2. CATEGORÍA DE UN CABLE DE RED........................................................... 75 5. COMPONENTES.................................................................................................... 77 5.1. TRANSICIONES.................................................................................................. 77 5.2. CARGAS ARTIFICIALES.................................................................................... 77 5.2.1. CARGAS SECAS........................................................................................... 77 5.2.2. CARGAS HÚMEDAS..................................................................................... 78 5.2.3. CARGAS CON VENTILACIÓN FORZADA.................................................... 78 5.2.4. ATENUADORES COAXIALES....................................................................... 79 5.2.5. DIVISOR DE POTENCIA............................................................................... 79 5.2.6. ACOPLADOR DIRECCIONAL....................................................................... 80 5.2.7. FILTROS........................................................................................................ 81 5.2.8. CIRCULADOR............................................................................................... 83 5.2.9. ANILLO HÍBRIDO.......................................................................................... 84 5.2.10. DESCARGADOR RF.................................................................................. 84 5.3. LÍNEA RF / SNIFFER RF.................................................................................... 85 5.4. COMPONENTES DE FIBRA ÓPTICA................................................................. 85 5.4.1. EMISOR DE HAZ DE LUZ (TRANSMISOR).................................................. 85 5.4.2. CONVERSORES LUZ-CORRIENTE ELÉCTRICA (RECEPTOR)................. 86 6. INSTRUMENTOS DE MEDIDA............................................................................... 88 6.1. SIMBOLOGÍA EN LOS APARATOS DE MEDIDA............................................... 88 6.2. ACTIVIDADES PREVIAS A LA MEDICIÓN........................................................ 91 6.2.1. MEDIDAS DE CORRIENTE ALTERNA......................................................... 92 6.3. EQUIPOS DE MEDIDA....................................................................................... 94 6.3.1. VOLTÍMETRO................................................................................................ 94 6.4. AMPERÍMETRO.................................................................................................. 99 /4 6.5. ÓHMETRO........................................................................................................ 101 6.6. CONTADOR DE FRECUENCIA........................................................................ 102 6.7. GENERADOR DE BAJA FRECUENCIA........................................................... 103 6.8. OSCILOSCOPIO............................................................................................... 104 6.8.1. OSCILOSCOPIO ANALÓGICO................................................................... 104 6.8.2. OSCILOSCOPIO DIGITAL........................................................................... 106 6.9. GENERADOR RF.............................................................................................. 125 6.10. VATÍMETRO RF................................................................................................ 127 6.11. SONDA DE POTENCIA DE PICO..................................................................... 128 6.12. SONDA DE POTENCIA DE DIRECCIONAL..................................................... 129 6.13. MEGÓHMETRO................................................................................................ 130 6.13.1. DESCRIPCIÓN GENERAL....................................................................... 130 6.13.2. FUNCIONAMIENTO................................................................................. 130 6.13.3. CARACTERÍSTICAS................................................................................ 131 6.14. ANALIZADOR DE ESPECTRO......................................................................... 132 6.15. ANALIZADOR DE REDES VECTORIAL (RF)................................................... 134 6.16. ANALIZADORES DE COMUNICACIONES....................................................... 135 6.17. MEDIDOR DE TASA DE ERRORES DE BITS.................................................. 136 6.18. REFLECTÓMETRO ÓPTICO (OTDR).............................................................. 138 6.19. ANALIZADOR DE PROTOCOLOS................................................................... 139 7. POSIBLES ERRORES EN LOS INSTRUMENTOS DE MEDIDA......................... 141 /5 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.- Resolución, precisión y exactitud...................................................................... 23 Figura 2.- Distribución normal (gaussiana)........................................................................ 25 Figura 3.- Guía para la expresión de la incertidumbre en la medición............................... 27 Figura 4.- Trazabilidad metrológica................................................................................... 29 Figura 5.- Criterios de aceptación...................................................................................... 29 Figura 6.- Ejemplo tolerancias vs. Incertidumbre de medida............................................. 31 Figura 7.- Desfase en bobina y en condensador............................................................... 36 Figura 8.- Dispositivo Magnetoeléctrico............................................................................. 44 Figura 9.- Dispositivo Electromagnético............................................................................. 45 Figura 10.- Dispositivo Electrodinámico............................................................................. 45 Figura 11.- Dispositivo de inducción.................................................................................. 46 Figura 12.- Dispositivo Electrotérmico............................................................................... 46 Figura 13.- Dispositivo Electroestático............................................................................... 47 Figura 14.- Puente Wheatstone......................................................................................... 47 Figura 15.- Divisor de tensión............................................................................................ 49 Figura 16.- Divisor de corriente.......................................................................................... 50 Figura 17.- Amplificador operacional................................................................................. 51 Figura 18.- Amplificador operacional inversor.................................................................... 52 Figura 19.- Amplificador operacional no inversor............................................................... 52 Figura 20.- Amplificador operacional seguidor................................................................... 52 Figura 21.- Amplificador operacional sumador.................................................................. 53 Figura 22.- Amplificador operacional restador................................................................... 53 Figura 23.- Amplificador operacional amplificador instrumental......................................... 54 /6 Figura 24.- Amplificador operacional amplificador logarítmico........................................... 55 Figura 25.- Conectores BNC.............................................................................................. 57 Figura 26.- Conectores TNC.............................................................................................. 58 Figura 27.- Conectores tipo N............................................................................................ 59 Figura 28.- Conectores SMA............................................................................................. 59 Figura 29.- Tipos de conectores de la fibra óptica............................................................. 62 Figura 30.- Conectores RJ11............................................................................................. 63 Figura 31.- Conector RJ45................................................................................................. 64 Figura 32.- Conector RJ50................................................................................................. 64 Figura 33.- Cable coaxial para RF..................................................................................... 65 Figura 34.- Operación de fusión de fibra............................................................................ 67 Figura 35.- Núcleo y revestimiento de la fibra óptica......................................................... 67 Figura 36.- Propagación dentro de una fibra óptica........................................................... 68 Figura 37.- Tipos de fibras y color de la cubierta de cable................................................. 70 Figura 38.-Tipos de pulido de FO...................................................................................... 71 Figura 39.- Dispositivos de limpieza de conectores de Fibra Óptica................................. 72 Figura 40.- Conector RJ45 y disposición de colores de cableado..................................... 73 Figura 41.- Cables de RED por su arquitectura física........................................................ 74 Figura 42.- Categorías de cable red.................................................................................. 75 Figura 43.- Diferente tipo de trenzado según categoría..................................................... 75 Figura 44.- Vaina en función de la categoría..................................................................... 76 Figura 45.- Transiciones RF.............................................................................................. 77 Figura 46.- Cargas secas................................................................................................... 78 Figura 47.- Cargas húmedas............................................................................................. 78 /7 Figura 48.- Cargas con ventilación forzada....................................................................... 79 Figura 49.- Atenuadores coaxiales.................................................................................... 79 Figura 50.- Splitters........................................................................................................... 80 Figura 51.- Acopladores direccionales............................................................................... 81 Figura 52.- Ejemplo de filtros electrónicos RLC................................................................. 82 Figura 53.- Filtro resonante de doble cavidad.................................................................... 82 Figura 54.- Sentido de circulación de la señal en el circulador.......................................... 83 Figura 55.- Circuladores.................................................................................................... 83 Figura 56. Anillo híbrido..................................................................................................... 84 Figura 57.- Descargador RF.............................................................................................. 85 Figura 58.- Insert en línea y Sniffer RF.............................................................................. 85 Figura 59.- Módulo transceptor óptico............................................................................... 87 Figura 60.- Simbología en los aparatos de medida........................................................... 88 Figura 61.- Tensión de aislamiento y simbología............................................................... 89 Figura 62.- Significado de la simbología............................................................................ 89 Figura 63.- Significado de la simbología............................................................................ 90 Figura 64.- Significado de la simbología............................................................................ 91 Figura 65.- Valor de pico y valor pico a pico...................................................................... 93 Figura 66.- Conexión de un voltímetro a un circuito.......................................................... 95 Figura 67.- Medición de resistencia con voltímetro y amperímetro.................................... 95 Figura 68.- Diagrama de bloques del voltímetro digital...................................................... 96 Figura 69.- Conexión del voltímetro digital......................................................................... 96 Figura 70.- Acondicionamiento de señal............................................................................ 97 Figura 71.- Conversor A/D................................................................................................. 97 /8 Figura 72.- Ciclo de adquisición......................................................................................... 98 Figura 73.- Obtención de la lectura digital......................................................................... 99 Figura 74.- Conexión de un amperímetro al circuito........................................................ 100 Figura 75.- Contadores de frecuencia.............................................................................. 102 Figura 76.- Generadores BF............................................................................................ 103 Figura 77.- Osciloscopio.................................................................................................. 104 Figura 78.- Esquema de osciloscopio analógico.............................................................. 105 Figura 79.- Señal visualizada con diferentes ajustes de disparo..................................... 106 Figura 80.- Esquema de osciloscopio digital.................................................................... 107 Figura 81.- Muestreo........................................................................................................ 107 Figura 82.- Onda senoidal y senoidal amortiguada......................................................... 109 Figura 83.- Onda cuadrada y rectangular........................................................................ 110 Figura 84.- Onda triangular y en diente de sierra............................................................ 110 Figura 85.- Flanco y pulso............................................................................................... 110 Figura 86.- Periodo y frecuencia de una señal senoidal.................................................. 111 Figura 87.- Fase de una onda senoidal........................................................................... 111 Figura 88.- Comparación del desfase entre señales senoidales..................................... 112 Figura 89.- Controles de un osciloscopio......................................................................... 113 Figura 90.- Conmutador................................................................................................... 114 Figura 91. Mando variable............................................................................................... 114 Figura 92.- Acoplamiento de entrada............................................................................... 115 Figura 93.- Inversión........................................................................................................ 115 Figura 94.- Modo alternado/chopeado............................................................................. 116 Figura 95.- Modo simple/dual/suma................................................................................. 116 /9 Figura 96.- Posición centrada.......................................................................................... 117 Figura 97.- Conmutador................................................................................................... 117 Figura 98.- Mando variable.............................................................................................. 117 Figura 99.- Amplificación................................................................................................. 118 Figura 100.- Control XY................................................................................................... 118 Figura 101.- Sentido del disparo...................................................................................... 119 Figura 102.- Nivel del disparo.......................................................................................... 119 Figura 103.- Tabla........................................................................................................... 119 Figura 104.- Señal exterior utilizada para el disparo........................................................ 120 Figura 105.- Hold-off........................................................................................................ 120 Figura 106.- Visualización de la pantalla......................................................................... 121 Figura 107.- Medida de voltajes....................................................................................... 121 Figura 108.- Línea vertical para obtener precisión........................................................... 122 Figura 109.- Línea horizontal para obtener precisión...................................................... 122 Figura 110.- Medida de tiempo de subida y bajada en los flancos.................................. 123 Figura 111.- Medida del desfase entre señales............................................................... 124 Figura 112.- Sondas de medida....................................................................................... 125 Figura 113.- HP 8673G: Generador de señal sintetizada con un rango de frecuencia desde 2 GHz a 26 GHz.............................................................................................................. 126 Figura 114.- FLUKE 6060A: Generador de señal de RF sintetizada cuyo rango de frecuencia es de 100 kHz hasta 1050 MHz....................................................................................... 126 Figura 115.- Generador RF – R&S SMA100B................................................................. 126 Figura 116.- Gigatronics 12000A: Generador de microondas.......................................... 126 Figura 117.- Vatímetro analógico Bird 43........................................................................ 127 Figura 118.- Esquema del circuito de acoplamiento........................................................ 128 / 10 Figura 119.- Sondas de potencia de pico........................................................................ 129 Figura 120.- Sonda de potencia direccional conectada a instrumento de medida........... 129 Figura 121.- Megóhmetro................................................................................................ 130 Figura 122.- Analizador de espectros.............................................................................. 132 Figura 123.- Analizador de redes vectorial (RF).............................................................. 134 Figura 124.- Analizadores de comunicaciones................................................................ 135 Figura 125.- RPI y Analizador DMEEDST300 en prueba de campo................................ 136 Figura 126.- Medidor de tasa de errores de bits.............................................................. 137 Figura 127.- Funcionamiento OTDR................................................................................ 138 Figura 128.- Bobina de lanzamiento de FO..................................................................... 139 Figura 129.- Certificador de Redes FO (OTDR) y LAN.................................................... 139 Figura 130.- Analizador de protocolos Wireshark............................................................ 140 Figura 131.- Escala uniforme........................................................................................... 141 Figura 132.- Escala con cero en el centro....................................................................... 141 Figura 133.- Escala parcial.............................................................................................. 142 Figura 134.- Clases normalizadas en instrumentos de medida....................................... 143 Figura 135.- Escala logarítmica irregular......................................................................... 143 Figura 136.- Campo de medida....................................................................................... 144 / 11 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.- Unidades básicas del SI............................................................................................ 17 Tabla 2.- Prefijos SI............................................................................................................... 17 Tabla 3.- Resto de Unidades SI con nombres y símbolos especiales............................................ 18 Tabla 4.- Ejemplos de unidades derivadas coherentes del SI, expresada en función de las unidades básicas................................................................................................................................ 18 Tabla 5.- Unidades no SI aceptadas para su uso con unidades SI............................................... 18 Tabla 6.- Unidades derivadas coherentes SI cuyos nombres y símbolos incluyen unidades derivadas coherentes SI con nombres y símbolos especiales..................................................................... 19 / 12 1. METROLOGÍA 1.1. INTRODUCCIÓN La Metrología es la ciencia que tiene por objeto el estudio y convención de las propiedades medibles, las escalas de medida, los sistemas de unidades, los métodos y técnicas de medición, la valoración de la calidad de las mediciones y su mejora constante, así como el establecimiento y mantenimiento de cadenas de trazabilidad. Por regla general la actividad metrológica se divide en tres grandes grupos: Metrología Científica, que se ocupa de la organización y el desarrollo de los patrones de medida y de su mantenimiento; Metrología Industrial, que asegura el adecuado funcionamiento de los instrumentos de medición empleados en la industria y en los procesos de producción y verificación; y Metrología Legal, que se ocupa de las mediciones que influyen sobre la transparencia de las transacciones comerciales, la salud y la seguridad de los ciudadanos. 1.2. LEGISLACIÓN METROLÓGICA La legislación española de metrología está regida principalmente por la Ley 32/2014, de 22 de diciembre, de Metrología. Esta ley establece y aplica el Sistema Legal de Unidades de Medida, así como la organización y el régimen jurídico de la actividad metrológica en España. Además, el Real Decreto 244/2016, de 3 de junio, desarrolla la Ley 32/2014, de 22 de diciembre, de Metrología. Este real decreto transpone las directivas de la Unión Europea y desarrolla los capítulos II, III y V de la Ley 32/20142. La Ley 32/2014 establece que los instrumentos, aparatos, medios y sistemas de medida que sirvan para pesar, medir o contar y que sean utilizados en aplicaciones de medida por razones de interés público, salud y seguridad pública, orden público, protección del medio ambiente, protección de los consumidores y usuarios, recaudación de impuestos y tasas, cálculo de aranceles, cánones, sanciones administrativas, realización de peritajes judiciales, establecimiento de las garantías básicas para un comercio leal y todas aquellas que puedan determinarse con carácter reglamentario, estarán sometidos al control metrológico del Estado, cuando esté establecido, o se establezca, por reglamentación específica. Por último, el Centro Español de Metrología (CEM) es la entidad encargada de llevar a cabo las actividades de metrología legal en España. / 13 1.2.1. CENTRO ESPAÑOL DE METROLOGÍA (CEM) El Centro Español de Metrología (CEM), ubicado en Tres Cantos (Madrid), es un organismo autónomo adscrito a la Secretaría General de Industria del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, y el máximo órgano técnico de España en el campo de la Metrología. La tarea más importante del CEM es la realización y mantenimiento de los patrones de las unidades legales de medida, conforme al Sistema Internacional de Unidades (SI), así como su diseminación en los ámbitos de la metrología científica, industrial y legal, constituyendo la cúspide de la pirámide metrológica en España. Los Certificados de Calibración emitidos por el CEM y sus Laboratorios Asociados, en las magnitudes no cubiertas por éste, garantizan que el elemento calibrado posee trazabilidad a los patrones nacionales realizados y mantenidos por el propio CEM y sus Laboratorios Asociados. Con el fin de asegurar la validez, coherencia y equivalencia internacional de sus mediciones, el CEM, como miembro de EURAMET, participa junto con otros Institutos Nacionales de Metrología en comparaciones interlaboratorios organizadas por las diferentes Organizaciones Metrológicas Regionales (OMR) o por el propio Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM), a través de sus Comités Consultivos. El CEM es asimismo firmante del Acuerdo de Reconocimiento Mutuo (ARM), redactado por el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM), por el que todos los Institutos participantes reconocen entre sí la validez de sus Certificados de calibración y de medida para las magnitudes, campos e incertidumbres especificados en el Anexo C del Acuerdo, el cual refleja las Capacidades de Medida y Calibración (CMC) aceptadas a nivel internacional, soportadas por comparaciones internacionales y realizadas bajo un estricto Sistema de Gestión de la Calidad basado en la norma UNE-EN ISO/IEC 17025. 1.2.2. CEM, ENAC y UNE El Centro Español de Metrología (CEM), la Entidad Nacional de Acreditación (ENAC) y la Asociación Española de Normalización (UNE) son socios estratégicos y constituyen los tres grandes pilares de la infraestructura de la calidad en España. Estas tres entidades trabajan conjuntamente en los campos de normalización, metrología y acreditación, lo que contribuye a mejorar la competitividad del tejido productivo español. Han firmado un protocolo de colaboración para impulsar la infraestructura de la calidad en España. Este acuerdo incluye el lanzamiento de la web “Infraestructura de la calidad española”, que tiene como objetivo concienciar sobre la importancia de contar con una infraestructura de la calidad fuerte en España. / 14 1.3. CONCEPTOS DE METROLÓGICA APLICADA A continuación, se exponen algunos conceptos que darán soporte al proceso de medición. 1.3.1. ACREDITACIÓN La acreditación es el procedimiento mediante el cual un Organismo autorizado reconoce formalmente que una organización es competente para la realización de una determinada actividad de evaluación de la conformidad. La acreditación se concede tras realizar una evaluación técnica del laboratorio y se mantiene mediante revisiones y visitas periódicas. La acreditación está basada en normas internacionales; por ejemplo, la ISO/IEC 17025 "Requisitos generales para la competencia técnica de los laboratorios de calibración y de ensayo", y en especificaciones y directrices técnicas relevantes para el laboratorio particular. La intención es que las calibraciones y ensayos realizados por los laboratorios acreditados en un país miembro sean aceptados por las autoridades y la industria del resto de países miembros, eliminando así barreras técnicas al comercio. Por ello, los organismos de acreditación poseen acuerdos multilaterales, de carácter regional e internacional, de forma que se reconozca y promocione la equivalencia mutua de cada uno de los sistemas y de los certificados e informes de calibración y ensayo expedidos por las organizaciones acreditadas. 1.3.2. EVALUACIÓN DE CONFORMIDAD La evaluación de conformidad es un proceso que una organización lleva a cabo para evaluar su nivel de cumplimiento de los requisitos aplicables. Este procedimiento se realiza tanto en la fase de diseño como en la fase de producción. En términos generales, la evaluación de conformidad es la declaración de que un servicio o producto cumple con las características o requisitos prometidos al cliente, así como la aseveración de que los procesos de producción se mantienen a la vanguardia y las metodologías actualizadas. La importancia de este tipo de procedimientos evaluativos radica en que, de no llevarse a cabo adecuadamente, podría derivar en el rechazo de bienes en su comercialización o la descalificación de proveedores en licitaciones. Para los consumidores, la evaluación de conformidad es un beneficio que les proporciona un antecedente confiable a la hora de seleccionar los productos o servicios a adquirir. La evaluación de conformidad también es definida en la Norma ISO/IEC 17000 como “la demostración de que los requisitos específicos relativos a un producto, proceso, sistema, persona u organismo se cumplen”. Existen diferentes formas de demostrar la conformidad, dependiendo de la norma o estatuto en el que se esté realizando la evaluación, pudiendo / 15 valerse de ensayos, inspecciones, declaraciones de proveedores de conformidad y/o certificaciones. 1.3.3. MAGNITUDES FÍSICAS Una magnitud física es el valor asociado a una propiedad física o una característica medible en un sistema físico. Medir una magnitud es compararla con otra de la misma especie tomada como unidad (magnitud de comparación). La medida es el resultado de la comparación y el valor obtenido se expresa diciendo que la magnitud es igual a un número de veces la unidad. Ahora bien, esta medida o expresión numérica del resultado de medir una magnitud, se puede hacer por comparación directa con la unidad de medida mediante: Unidades patrón preferente en laboratorios, donde se conservan definiendo la unidad de una magnitud o característica medible. Mediante un instrumento graduado y calibrado. Naturalmente, nos centraremos en las medidas efectuadas mediante estos instrumentos o aparatos de medida que indicarán de forma indirecta, el valor de la magnitud medida, generalmente transformando dicha magnitud física en otra que es la encargada de mover el elemento indicador (indicación analógica), o convirtiendo la magnitud medida en información procesable en los circuitos empleados en los aparatos de medida digitales (generalmente con indicación numérica en un contador). Con el fin de homogeneizar las magnitudes de comparación se establece el Sistema Internacional de Unidades. 1.3.4. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES El Sistema Internacional de Unidades (SI) es un sistema consistente de unidades para su utilización en todas las facetas de la vida, incluyendo el comercio internacional, la fabricación, la seguridad, la salud y la seguridad, la protección del medio ambiente y la ciencia básica que sustenta todo ello. El sistema de magnitudes subyacentes bajo el SI y las ecuaciones que las relacionan se basan en la descripción actual de la naturaleza y resultan familiares para todos los científicos, tecnólogos e ingenieros. La definición de las unidades SI se establece mediante un conjunto de siete constantes definitorias. El sistema completo de unidades puede derivarse a partir de los valores numéricos fijos de estas constantes definitorias, expresados en unidades del SI. Estas siete constantes definitorias constituyen la característica fundamental de la definición de todo el sistema de unidades. Estas constantes particulares se eligieron después de ser identificadas como la mejor opción, teniendo en cuenta la definición anterior del SI, basada en siete unidades básicas, y el progreso en la ciencia. / 16 El valor de una magnitud se expresa generalmente mediante el producto de un número y una unidad. La unidad es simplemente un ejemplo particular del valor de la magnitud en cuestión, utilizado como referencia, y el número es la relación entre el valor de la magnitud y la unidad. Para una magnitud en concreto pueden utilizarse diferentes unidades. Por ejemplo, el valor de la velocidad v de una partícula puede expresarse como v = 25 m/s o como v = 90 km/h, donde metro por segundo y kilómetro por hora son unidades alternativas para el mismo valor de la magnitud velocidad. Antes de indicar el resultado de una medición, es esencial que la magnitud medida sea adecuadamente descrita. Esto puede resultar simple, como en el caso de la longitud de una barra concreta de acero, pero puede volverse más complejo cuando se requiere una mayor exactitud, donde deben especificarse parámetros adicionales, como la temperatura. Cuando se informa del resultado de la medición de una magnitud, son necesarios el valor estimado del mensurando (la magnitud bajo medición), la unidad en la que está expresado el valor de la magnitud y la incertidumbre asociada a dicho valor. Ambos se expresan en la misma unidad. A continuación, se detallan las tablas de referencia correspondientes a Unidades y Magnitudes del SI. 1.3.4.1. TABLA DE REFERENCIA DEL SI Magnitud básica Símbolo habitual Unidad Básica Símbolo tiempo t segundo s longitud l, x, r, etc. metro m masa m kilogramo kg corriente eléctrica I, i amperio A temperatura T kelvin K termodinámica cantidad de sustancia n mol mol intensidad luminosa Iv candela cd Tabla 1.- Unidades básicas del SI Factor Nombre Símbolo Factor Nombre Símbolo 101 deca da 10-1 deci d 102 hecto h 10-2 centi c 103 kilo k 10-3 mili m 106 mega M 10-6 micro µ 109 giga G 10-9 nano n 1012 tera T 10-12 pico p 1015 peta P 10-15 femto f Tabla 2.- Prefijos SI / 17 Nombre Magnitud derivada especial de la Unidad expresada unidad frecuencia hercio Hz fuerza newton N presión, tensión pascal Pa energía, trabajo, cantidad de julio J calor potencia, flujo radiante vatio W carga eléctrica culombio C diferencia de potencial voltio V eléctrico capacidad eléctrica faradio F resistencia eléctrica ohmio Ω conductancia eléctrica siemens S flujo magnético weber Wb densidad de flujo magnético tesla T inductancia henrio H temperatura Celsius grado Celsius ºC flujo luminoso lumen lm iluminancia lux lx Tabla 3.- Resto de Unidades SI con nombres y símbolos especiales Símbolo típico de la Unidad derivada expresada en Magnitud derivada magnitud unidades básicas área A m2 volumen V m3 velocidad v m s-1 aceleración a m s-2 densidad, densidad másica ρ kg m-3 volumen específico v m3 kg-1 densidad de corriente j A m-2 intensidad de campo H A m-1 magnético luminancia Lv cd m-2 Tabla 4.- Ejemplos de unidades derivadas coherentes del SI, expresada en función de las unidades básicas Nombre de la unidad Símbolo de la Magnitud Valor en unidades SI unidad minuto min 1 min = 60 s tiempo hora h 1 h = 60 min = 3600 s día d 1 d = 24 h = 86400 s grado º 1º =(π/180) rad ángulo plano y minuto ‘ 1’ = (1/60)º = (π/10800)rad ángulo de fase segundo “ 1” = (1/60)’ = (π/648.000) rad área hectárea ha 1 ha = 1 hm2 = 104 m2 litro 1 l = 1 L = 1 dm3 = 103 cm3 = 10-3 volumen l, L m3 Tonelada métrica 1t = 103 kg masa tm relaciones Decibelio dB logarítmicas Tabla 5.- Unidades no SI aceptadas para su uso con unidades SI / 18 Nombre de la unidad Magnitud derivada Símbolo derivada coherente viscosidad pascal segundo Pa s dinámica momento de una newton metro Nm fuerza velocidad angular, radian por segundo al rad s-2 frecuencia angular cuadrado densidad de flujo vatio por metro de calor, cuadrado W m-2 irradiancia capacidad julio por kelvin J K-1 calorífica, entropía capacidad julio por kilogramo y calorífica Kelvin J K-1 kg-1 específica, entropía específica energía específica julio por kilogramo J kg-1 conductividad vatio por metro y W m-1 K-1 térmica kelvin densidad de julio por metro cúbico J m-3 energía intensidad de voltio por metro V m-1 campo eléctrico densidad de carga culombio por metro C m-3 eléctrica cúbico densidad de carga culombio por metro C m-2 superficial cuadrado densidad de flujo culombio por metro eléctrico, cuadrado C m-2 desplazamiento eléctrico permitividad faradio por metro F m-1 permeabilidad henrio por metro H m-1 Tabla 6.- Unidades derivadas coherentes SI cuyos nombres y símbolos incluyen unidades derivadas coherentes SI con nombres y símbolos especiales 1.3.4.2. EL DECIBELIO (DB) El decibelio, submúltiplo de la unidad Belio (B), es una unidad relativa empleada en acústica, electricidad, telecomunicaciones y otras especialidades para expresar la relación entre dos magnitudes: la magnitud que se estudia y una magnitud de referencia dada. Por lo anteriormente expuesto se deduce que el decibelio es una unidad de medida relativa respecto a un nivel de referencia dado, y su valor D (en dB) que corresponde a una determinada relación entre dos potencias: En este caso, por ejemplo, si P2 se trata de la potencia de entrada a un sistema (nivel de referencia) y P1 la potencia de salida, DdB nos dará la ganancia del sistema en dB en su / 19 salida con respecto a su nivel de entrada, y por su forma de cálculo cabe indicar que la escala no será lineal, sino logarítmica. Por lo tanto, cada década en la escala logarítmica supondrá un incremento de orden de magnitud en la escala lineal equivalente y cada incremento/decremento de 3 dB en la escala logarítmica supondrá tener el doble o la mitad, respectivamente, de la medida original en escala lineal. En caso de querer ofrecer una medida en valor absoluto, se referirá a un nivel de referencia, por ejemplo: dBm: utilizan 1 milivatio como referencia (0 dBm → 1mW → -30dBW) dBW: utilizan 1 Vatio como nivel de referencia (0 dBW → 1W → 30dBm) 𝑃 (𝑚𝑊) 𝑃(𝑑𝐵𝑚) = 10 · log 1𝑚𝑊 𝑃(𝑑𝐵𝑚) 𝑃(𝑚𝑊) = 10 10 Por lo anteriormente expuesto, se puede deducir que: 0 dBW = 30 dBm = 1 W 0 dBm = -30 dBW = 1 mW Por lo tanto, si a cualquier potencia expresada en dBW le sumamos 30, obtendremos el valor en dBm, y; Si a cualquier potencia expresada en dBm le restamos 30, obtendremos el valor en dBW. El dBV es una unidad de medida de voltaje con referencia a 1 V. Es comúnmente usada cuando hablamos de dispositivos desbalanceados de alta impedancia, cuyo valor nominal de salida suele ser -10 dBV. Para expresar una potencia inicialmente en dBm en términos de amplitud de tensión (dBV) necesitaremos conocer la impedancia del sistema (Z0). 𝑉𝑅𝑀𝑆 2 (𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠) 𝑃(𝑑𝐵𝑚) = 10 · log 10−3 · 𝑍0 (𝑂ℎ𝑚𝑠) Supongamos que en un sistema con impedancia de 50 Ω, tenemos una señal de -20 dBm. / 20 Si realizamos la conversión a milivatios resultará en 0,01 mW o 0,00001 W. Aplicamos la fórmula del voltaje RMS o eficaz1: 𝑉𝑟𝑚𝑠 = √𝑃(𝑊) ∗ 𝑍0 VRMS = 0,02236 V (@50 Ω) Finalmente realizamos la conversión de Voltios a dBV: PdBV = 20 * log (VRMS/1V) = -33,01 dBV. Se comprueba que en los sistemas con impedancia de 50 Ω restando 13 al valor en dBm obtenemos el valor en dBV. Si realizamos el mismo ejercicio completando con impedancias típicas de 4 Ω (altavoz), 50 Ω o 75 Ω (L.T.’s RF) y 600Ω (auriculares) respectivamente obtenemos los siguientes resultados: 4 Ω → VRMS = 0,00632 V → -43,98 dBV [ Restamos 24 dB a la medida en dBm para obtener dBV]. 50 Ω → Para obtener dBV, restamos 13 a la cuenta en dBm. 75 Ω → VRMS = 0,027386 V → -31,25 dBV [Restamos 11,25 dB a la medida en dBm para obtener dBV]. 600 Ω → VRMS = 0,07746 V → -22,22 dBV [Restamos 2,22 dB a la medida en dBm para obtener dBV] Para una impedancia dada, las relaciones anteriores se cumplirán siempre que estemos en una situación de adaptación de impedancias. Es frecuente establecer valores de referencia en el nivel de la señal portadora y hacer mediciones relativas en dB respecto a ese nivel de referencia, en ese caso se utiliza el dBc (nivel en dB relativo al nivel de portadora), siendo el equivalente al nivel de portadora 0 dBc. En el ámbito digital encontramos el dBFS. El dBFS significa “decibelios respecto escala completa") Es una abreviatura utilizada para definir los niveles de amplitud en decibelios en sistemas digitales en base al máximo nivel disponible (normalmente del conversor A/D, con lo que se deduce que el máximo será 0 y el resto de los valores posibles serán negativos. En este caso, la escala completa (del inglés "full-scale") se define como la amplitud RMS 1Un valor RMS de una corriente es el valor, que produce la misma disipación de calor que una corriente continua de la misma magnitud. En otras palabras: El valor RMS es el valor del voltaje o corriente en C.A. que produce el mismo efecto de disipación de calor que su equivalente de voltaje o corriente directa. / 21 de una onda senoidal cuyo valor pico (máxima excursión) alcance el máximo valor digital, correspondiéndole en este caso un valor de amplitud de 0 dBFS. 1.3.5. INCERTIDUMBRE DE MEDIDA TÍPICA, COMBINADA Y EXPANDIDA Las mediciones no proporcionan valores absolutamente exactos, ya que siempre están sujetas a imperfecciones que no se pueden cuantificar con precisión. Así, el resultado de una medición depende del método de medición aplicado, de las condiciones ambientales como la temperatura, la humedad y la presión ambiental, del rendimiento de la técnica de medición utilizada y de la competencia del técnico. Por lo tanto, la incertidumbre será la duda que existe sobre el resultado de cualquier medición. A continuación, se propone un ejemplo práctico para ilustrar la incertidumbre de medición; el ejemplo consiste en dar un mismo trozo de cuerda a tres personas (una por una) y pedirles que midan su longitud sin ninguna instrucción más. Todos ellos pueden usar sus propias herramientas y métodos para medirlo. Es más que probable que los resultados sean ligeramente diferentes como, por ejemplo: La primera persona indica que mide unos 60 cm. Ha utilizado una regla de plástico de 10 cm, ha medido la cuerda una sola vez y ha llegado a esta conclusión. La segunda persona indica que mide 70 cm. Ha utilizado una cinta métrica de tres metros y ha comprobado el resultado un par de veces para asegurarse de que era correcto. La tercera persona indica que mide 67,5 cm, con una incertidumbre de ± 0,5 cm. Ha utilizado una cinta métrica de gran exactitud y ha medido la cuerda varias veces para obtener una media y una desviación estándar. Además, ha comprobado cuánto se alarga la cuerda al estirarla y ha observado que esto afectaba un poco al resultado. En este caso estaríamos ante una incertidumbre de medida típica (u). Este simple ejemplo muestra que hay muchas cosas que afectan al resultado de una medición; los equipos de medición que se han utilizado, el método/proceso empleado y la forma en la que la persona ha realizado la tarea. / 22 1.3.5.1. RESOLUCIÓN, PRECISIÓN Y EXACTITUD Observe el ejemplo de la diana de la figura a continuación: Figura 1.- Resolución, precisión y exactitud Se entiende que la resolución de medida es la unidad de recuento más pequeña, en este caso la distancia entre los anillos del objetivo. La dispersión de los agujeros de bala indica la precisión, es decir, la medida de la reproducibilidad de los impactos. La dispersión de los agujeros de bala hacia el centro del blanco se expresa mediante la exactitud. Por lo anterior: Resolución: La resolución de un instrumento es la medida del menor incremento o disminución en posición que puede medir o diferenciar. Precisión: se refiere a la dispersión de los valores obtenidos de mediciones repetidas. Cuanto menor es la dispersión mayor la precisión. Una medida común de la variabilidad es la desviación estándar de las mediciones y la precisión se puede estimar como una función de ella. Exactitud: se refiere a cuán cerca se encuentra el valor medido del valor real (de referencia). Cuando se expresa la exactitud de un resultado, se expresa mediante el error absoluto, que es la diferencia entre el valor medido y el valor real. Para evaluar y seguir utilizando el resultado de una medición, debe hacerse una declaración sobre la calidad del resultado, además del valor estimado determinado del mensurando. La indicación de la incertidumbre de la medición refuerza la confianza en los resultados de las mediciones y permite la comparación de diferentes mediciones. / 23 Un valor medido sin expresión de incertidumbre de medición no es un resultado de medición completo. Ser consciente de la incertidumbre de una medición es un concepto fundamental. No se deberían realizar mediciones si no se es consciente de la incertidumbre asociada. 1.3.5.2. COMPONENTES DE LA INCERTIDUMBRE La incertidumbre se compone de varios factores: Componentes Tipo A: Según el VIM (Vocabulario Internacional en Metrología), la incertidumbre tipo A es la “evaluación de un componente de la incertidumbre de medición mediante un análisis estadístico de los valores de las cantidades medidas obtenidas en condiciones definidas. Dicho en otras palabras, es un método en el cual llevas a cabo un proceso para obtener mediciones repetidas de una magnitud particular. Este proceso debe llevarse a cabo en condiciones conocidas. Al final del proceso se obtienen datos que te permiten estimar la incertidumbre, a veces llamada también incertidumbre típica tipo A, la cual se simboliza con la letra “u” minúscula. Los datos obtenidos se recopilan y analizan para obtener los componentes de la incertidumbre. Estos componentes son variables a partir de las cuales se obtiene las incertidumbres típicas (un). Para obtener el valor de la incertidumbre combinada, se combinarán las diferentes componentes de incertidumbre típica (un) utilizando la ley de propagación de errores. La incertidumbre combinada se obtendrá sumando en cuadratura como indica la formula a continuación, en la que cada “un” representa una componente de incertidumbre independiente. Cuando se sumen diferentes componentes de incertidumbre se deberá asegurar que todos tienen el mismo valor sigma antes de operar. Antes de publicar el componente de incertidumbre combinada, será necesario multiplicar el resultado por el valor sigma seleccionado para obtener el nivel de confianza requerido. Después de hacer la multiplicación, lo que se obtiene es la incertidumbre expandida, es decir, la incertidumbre con un nivel de confianza determinado incluido (factor de cobertura). Obtenemos así la expresión de la incertidumbre expandida. Para expresar la incertidumbre en los resultados o bien, en un certificado de calibración se incluirá la magnitud, la unidad o múltiplo de unidad empleada, la incertidumbre expresada mediante un valor “+/-“, incluyendo el factor de cobertura o nivel de confianza (sigma). Por / 24 ejemplo, podría indicarse que una distancia medida es de 125 km con una incertidumbre de ±1 km (σ = 2). Figura 2.- Distribución normal (gaussiana) La incertidumbre de medida se expresa como un intervalo de confianza, generalmente con un nivel de confianza del 95% o 2σ (Valor típico). Para el caso de la incertidumbre tipo A los componentes más importantes son: la media, la desviación estándar y los grados de libertad (número de ensayos menos 1). Componentes Tipo B: Según el VIM, este método de determinación de incertidumbre es la “evaluación de un componente de la incertidumbre de la medición determinada por medios distintos a la evaluación Tipo A”. Dicho en otras palabras, se refiere a la determinación de la incertidumbre por métodos distintos a la evaluación estadística de una serie de observaciones realizadas directamente por el operario. Los medios por los cuales puedes obtener información para determinar la incertidumbre de este tipo provendrán principalmente de las siguientes fuentes: Certificados de calibración Manuales del fabricante Artículos de revista Procedimientos técnicos / 25 Ensayos de aptitud Libros guía Guías provenientes de industrias Entre otros La evaluación de la incertidumbre a partir de esta metodología se puede presentar en varios casos, esto debido a que hay varias fuentes de incertidumbres tipo B. En la mayoría de los casos es posible asumir una distribución de probabilidad rectangular como método para determinar las componentes de la incertidumbre típica de tipo B. Sin embargo, nos podemos encontrar con situaciones donde otra distribución sea más conveniente que la distribución rectangular, por ejemplo, una distribución triangular. Demos un vistazo a cada uno de los casos para determinar la incertidumbre típica a partir de un método tipo B. Antes de publicar el componente de incertidumbre combinada, será necesario multiplicar el resultado por el valor sigma seleccionado para obtener el nivel de confianza requerido. Después de hacer la multiplicación, lo que se obtiene es la incertidumbre expandida, es decir, la incertidumbre con un nivel de confianza determinado incluido (factor de cobertura). Para expresar la incertidumbre en los resultados o bien, en un certificado de calibración se incluirá la magnitud, la unidad o múltiplo de unidad empleada, la incertidumbre expresada mediante un valor +/-, incluyendo el factor de cobertura o nivel de confianza (sigma). Por ejemplo, podría indicarse que una distancia medida es de 125 km con una incertidumbre de ±1 km (σ = 2). La incertidumbre de medida se expresa como un intervalo de confianza, generalmente con un nivel de confianza del 95% o 2σ (Valor típico). Algunas consideraciones finales en el manejo de incertidumbres de medida: Cuanto mayor sea la muestra, más representativo será el cálculo. Cuanto mayor sea la incertidumbre, menos confianza tendremos en el resultado de la medición. Puede afectar la toma de decisiones en procesos de control de calidad, diseño, seguridad, etc. Reducción de Incertidumbre: Mejora la precisión y exactitud de la instrumentación. / 26 Aumenta la cantidad de datos y repeticiones. Considera la calibración y el ambiente de medición. 1.3.6. GUÍA PARA LA EXPRESIÓN DE LA INCERTIDUMBRE EN LA MEDICIÓN. La "Guía para la Expresión de la Incertidumbre en la Medición", abreviada como GUM, se considera la norma mundialmente aceptada para la evaluación y especificación de las incertidumbres de medición y ha sido adoptada por varias organizaciones internacionales. La GUM sigue el enfoque de declarar cada resultado de medición como la mejor estimación de un mensurando con la incertidumbre de medición asociada. Así, el método GUM proporciona un procedimiento de evaluación claramente definido para realizar la descripción de la tarea de medición y los rangos de variabilidad de las magnitudes relevantes utilizando distribuciones de probabilidad y ecuaciones de modelos. Así, con la ayuda del método GUM se puede mostrar de forma transparente qué correlaciones se utilizan para la determinación de la incertidumbre de medición y cómo se considera la estimación de las magnitudes implicadas. Figura 3.- Guía para la expresión de la incertidumbre en la medición 1.3.7. INCERTIDUMBRE, CALIBRACIÓN Y TRAZABILIDAD También hay otras razones para tratar la incertidumbre de la medición; por ejemplo, si la medición forma parte de una calibración y debe figurar en el certificado de calibración, o si debe evaluarse el cumplimiento de la especificación de precisión de un instrumento de medida. / 27 La calibración de un instrumento de medida es un proceso fundamental en la metrología. Una calibración es el conjunto de operaciones de comparación que se realizan en unas condiciones concretas, entre el valor de una magnitud indicada por un instrumento de medida y los valores indicados de esa magnitud realizados por patrones, por lo tanto, consiste en comprobar las desviaciones de indicación de instrumentos y equipos de medida por comparación con patrones con trazabilidad nacional o internacional y que sirven para determinar las correcciones que requiere un instrumento de medida concreto con respecto a los patrones. Los resultados de estas operaciones se reflejarán en un certificado de calibración. La aportación de calibrar con la menor incertidumbre posible es que es mayor el margen que tiene para gestionar las tolerancias de los equipos. La trazabilidad es el resultado de una medición o de un patrón que pueda relacionarse con referencias a patrones nacionales o internacionales en una cadena de comparaciones, teniendo en cuenta todas las incertidumbres. La incertidumbre es un parámetro, que se asocia a al resultado de una medición, que caracteriza la dispersión en los valores de las medidas. A esta dispersión contribuyen muchos factores como la incertidumbre asociada a los patrones de referencia, la precisión de los equipos a calibrar, o las condiciones ambientales en el momento de la calibración. En resumen, la incertidumbre es el margen de exactitud de los resultados de calibración de un laboratorio. La capacidad óptima de medida es la incertidumbre con la que un laboratorio puede calibrar. La calibración de un instrumento determina la comparación de la lectura de un instrumento que se está calibrando con la lectura por un instrumento de referencia o patrón bajo unas condiciones determinadas. Otro aspecto de la calibración es la documentación de los desvíos registrados entre el instrumento a calibrar con el patrón de referencia, el cálculo de la incertidumbre resultante y la creación del certificado de calibración que contiene los datos obtenidos y la trazabilidad. Se verifica si hay desviaciones en la indicación del instrumento y Se determinan las correcciones necesarias respecto a los patrones. Permite gestionar tolerancias de los equipos con mayor margen. Proporciona trazabilidad al resultado de la medición. La trazabilidad metrológica es fundamental en la ciencia de las mediciones. Se refiere a la capacidad de relacionar los resultados de una medición individual a patrones nacionales o internacionales mediante una cadena ininterrumpida de comparaciones, conocida como cadena de trazabilidad. En otras palabras, garantiza que las mediciones sean comparables en el espacio y el tiempo. / 28 Figura 4.- Trazabilidad metrológica 1.3.7.1. CRITERIOS DE ACEPTACIÓN En la mayoría de las ocasiones la calibración de un instrumento incluye un criterio de aceptación, es decir, hay límites dentro de los cuales se considera que el resultado está aceptado y fuera de los cuales se considera no aceptado. Hay varias interpretaciones sobre si la incertidumbre se debe tener en cuenta a la hora de decidir un aceptado / no aceptado, y en caso afirmativo, de cómo hacerlo. A continuación, se detallan algunos ejemplos para estudiar diferentes casos. En la siguiente imagen, la forma de diamante ilustra el resultado de la medición y las líneas inferior y superior del resultado indican la incertidumbre total de dicha medición. Figura 5.- Criterios de aceptación / 29 Caso 1: Aquí está bastante claro que la medida se encuentra dentro de los límites de tolerancia, incluso cuando se tiene en cuenta la incertidumbre. De modo que podemos decir que es un resultado bueno o “aceptado”. Caso 4: Este caso también está bastante claro. El resultado se encuentra fuera de los límites de tolerancia, incluso cuando se tiene en cuenta la incertidumbre. De modo que podemos decir que es un resultado malo o “no aceptado”. Caso 2 y Caso 3: Estos casos son un poco más difíciles de juzgar. Desde luego parece que en el caso 2 el resultado está dentro de la tolerancia, mientras que en el caso 3 está fuera, especialmente si no se tiene en cuenta la incertidumbre. Pero si se tiene en cuenta la incertidumbre, realmente no podemos decirlo con total confianza. Hay normativas (por ejemplo, el documento ILAC G8:1996 - Guía para la evaluación y el informe de la conformidad con las especificaciones; Guía EURACHEM / CITAC: Empleo de la información sobre la incertidumbre en la evaluación de conformidad) sobre cómo expresar la conformidad de la calibración. En estas guías se sugiere que se declare que el resultado está aceptado solo cuando el error añadiendo la incertidumbre sea inferior al límite de aceptación. Además, también sugieren que se declare no aceptada solo cuando el error incluyendo la incertidumbre sea mayor que el límite de aceptación. Cuando el resultado está más cerca del límite de aceptación que la mitad de la incertidumbre, se sugiere llamarlo resultado “indefinido”, es decir, no se debe decir ni aprobado ni no aprobado. En la mayoría de los casos se interpreta la incertidumbre y la decisión de aceptada o no aceptada de muchas formas diferentes. En la práctica, la mayoría de las veces la incertidumbre no se tiene en cuenta en la decisión de aceptar o no aceptar la calibración, pero de todas formas es muy importante conocer la incertidumbre a la hora de tomar la decisión. En el siguiente gráfico hay algunos ejemplos de lo que puede significar tener incertidumbres diferentes en la práctica: / 30 Figura 6.- Ejemplo tolerancias vs. Incertidumbre de medida Los casos 1 y 2 tienen el mismo resultado de medición, de modo que sin la incertidumbre se consideraría que ambas mediciones son del mismo nivel. Pero cuando se tiene en cuenta la incertidumbre, se puede ver que el caso 1 es realmente malo, porque la incertidumbre es demasiado grande para ser usada en esta medición con los límites de tolerancia dados. Mirando los casos 3 y 4, parece que el caso 3 es mejor, pero con la incertidumbre se puede ver que no es lo suficientemente bueno como para declararlo aceptado, mientras que el caso 4 sí lo es. De nuevo se hace hincapié en que se debe conocer la incertidumbre antes de juzgar el resultado de una medida. Sin el cálculo de incertidumbre, los casos anteriores 1 y 2 parecen similares, pero teniendo en cuenta la incertidumbre son muy diferentes. / 31 2. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS DE MEDIDA 2.1. MAGNITUDES ELÉCTRICAS 2.1.1. DIFERENCIA DE POTENCIAL La diferencia de potencial eléctrico, también conocida como voltaje, es la cantidad de trabajo que se necesita para mover una carga positiva unitaria desde un punto a otro en un campo eléctrico. Se mide en voltios (V) y se representa con la letra V. En términos más simples, puedes pensar en la diferencia de potencial eléctrico como la “fuerza” que empuja a los electrones a través de un circuito. Es similar a cómo la gravedad empuja a los objetos hacia abajo en un campo gravitatorio. La fórmula para calcular la diferencia de potencial eléctrico es: V = W/Q Donde: V es la diferencia de potencial eléctrico (V) W es el trabajo realizado para mover la carga (J) Q es la carga (C) 2.1.2. CORRIENTE ELÉCTRICA La corriente eléctrica es el flujo de carga eléctrica que pasa por un punto específico de un circuito eléctrico en un período de tiempo determinado. Se mide en amperios (A) y se representa con la letra I. En términos más simples, puedes pensar en la corriente eléctrica como el movimiento de los electrones a través de un conductor, como un cable. Este movimiento es causado por fuerza debida a la diferencia de potencial eléctrico (voltaje) en los extremos del conductor. La fórmula para calcular la corriente eléctrica es: I = Q/t Donde: I es la corriente eléctrica (A) Q es la carga eléctrica (C) t es el tiempo (s) / 32 2.1.3. RESISTENCIA ELÉCTRICA La resistencia eléctrica es una medida de la oposición al flujo de corriente eléctrica a través de un conductor. Se mide en ohmios (Ω) y se representa con la letra R. En términos más simples, puedes pensar en la resistencia eléctrica como la “fricción” que experimentan los electrones al moverse a través de un conductor. Cuanto mayor sea la resistencia, más difícil será para los electrones moverse y, por lo tanto, menor será la corriente eléctrica. La fórmula para calcular la resistencia eléctrica es la Ley de Ohm: V = R·I Donde: V es la diferencia de potencial eléctrico (V) I es la corriente eléctrica (A) R es la resistencia eléctrica (Ω) 2.1.4. CAPACIDAD La capacidad eléctrica es una propiedad de los cuerpos que permite almacenar carga eléctrica. Se mide en faradios (F) y se representa con la letra C. En términos más simples, puedes pensar en la capacidad eléctrica como la “capacidad de almacenamiento” de un condensador, que es un dispositivo utilizado en circuitos eléctricos para almacenar carga eléctrica. La fórmula para calcular la capacidad eléctrica es: C=Q/V Donde: C es la capacidad eléctrica Q es la carga eléctrica almacenada V es la diferencia de potencial eléctrico (voltaje) / 33 2.1.5. INDUCTANCIA La inductancia es una propiedad de los circuitos eléctricos que se opone a un cambio en la corriente eléctrica que los atraviesa. Se mide en henrios (H) y se representa con la letra L. En términos más simples, puedes pensar en la inductancia como la “inercia eléctrica”. Al igual que la inercia es la resistencia al cambio en el movimiento, la inductancia es la resistencia al cambio en la corriente eléctrica. La fórmula para calcular la inductancia es: V=L⋅dI/dt Donde: V es la diferencia de potencial eléctrico (voltaje) L es la inductancia dI/dt es la tasa de cambio de la corriente eléctrica con respecto al tiempo. 2.1.6. REACTANCIA INDUCTIVA Y CAPACITIVA La reactancia es una forma de oposición generada por los componentes de un circuito eléctrico cuando la corriente alterna (CA) pasa a través de él. Este término se aplica exclusivamente a los circuitos de corriente alterna, tanto en serie como en paralelo, no a los circuitos de corriente continua (CC). Reactancia inductiva (XL): La inductancia es la resistencia que se produce cuando un componente, como un inductor, genera un campo electromagnético que se opone al flujo de corriente. Se mide en henrios (H) y se simboliza con “L”. Reactancia capacitiva (XC): La capacitancia es la resistencia que se produce cuando un dispositivo, como un condensador, almacena una carga eléctrica que resiste los cambios de tensión. Se mide en faradios (F) y se simboliza con “C”. / 34 La reactancia de un circuito puede ser el resultado de la inductancia, la capacitancia o una combinación de ambas. Si un circuito contiene inductancia y capacitancia, las dos se anulan mutuamente, y puedes medir la reactancia total del circuito por la diferencia entre ellas. Aquí están las principales diferencias entre inductores y capacitores. Almacenamiento de energía: Un condensador almacena energía en el campo eléctrico entre sus placas, mientras que un inductor (el componente que exhibe inductancia) almacena energía en su campo magnético. Comportamiento en corriente continua (DC): En un circuito de corriente continua después de un largo tiempo, un condensador se comporta como un circuito abierto (es decir, bloquea la corriente), mientras que un inductor se comporta como un cortocircuito (es decir, no se opone a la corriente). Comportamiento en corriente alterna (AC): En un circuito de corriente alterna, un condensador se opone a los cambios de voltaje, mientras que un inductor se opone a los cambios de corriente. 2.1.7. IMPEDANCIA Cabe destacar que, si tenemos en cuenta, además de la reactancia inductiva y/o capacitancia, tenemos en cuenta la componente resistiva pura, nos encontraremos ante una impedancia compleja. Está se expresará mediante un número complejo cuya parte real corresponderá a la componente resistiva pura del circuito y la parte imaginaria a la combinación de reactancia inductiva y capacitiva. La unidad empleada para su representación son los Ohmios. Para trabajar con impedancias es habitual recurrir a la representación fasorial (vector con componente real y componente imaginaria). Si en un circuito únicamente existen resistencias puras (resistencias óhmicas), la tensión y la intensidad alcanzan simultáneamente sus valores máximos o nulos y la corriente se dice que está en fase. Al decir que la corriente está en fase, se quiere expresar que la tensión y la intensidad alcanzan a la vez sus valores máximos, mínimos y nulos; no que estos valores sean iguales entre sí. En cambio, si existen inducciones (bobinas), condensadores, o ambas cosas, sucede en ocasiones que la tensión no alcanza sus valores máximos y nulos al mismo tiempo que la intensidad, pudiendo adelantarse o retrasarse en otros. Cuando esto sucede, se dice que la corriente está desfasada o que existe desfase. / 35 Figura 7.- Desfase en bobina y en condensador 2.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS DE MEDIDA Los equipos de medida son herramientas esenciales en muchos campos, desde la física y la ingeniería hasta la medicina y las ciencias de la vida. A continuación, se presentan algunas características clave que se suelen tener en cuenta a la hora de evaluar las prestaciones de los equipos de medida. 2.2.1. TECNOLOGÍA EMPLEADA Los instrumentos de medición analógicos y digitales presentan diferencias significativas en su funcionamiento y características. La forma de procesar la información sobre una magnitud afecta de forma fundamental a la constitución del aparato de medida. En los analógicos la información procesada es una función continua en el tiempo, tomando infinitos valores entre dos valores cualesquiera. En los digitales, de la magnitud observada solo se toman algunos valores y mediante la conversión A/D (analógico/digital) se codifican en notación binaria. En estos aparatos, la magnitud medida, que obviamente es analógica (continua en el tiempo), se divide en un número finito de bandas de valores y a cada banda se le asigna un código binario, que como sabemos es el número representado en base dos, solo con los dígitos binarios, 0 y 1 (bits). 2.2.1.1. INSTRUMENTOS ANALÓGICOS Un instrumento de medida analógico es un dispositivo que muestra información en forma de una escala continua, como una aguja que se mueve a lo largo de una escala graduada. Utiliza componentes electrónicos y mecánicos para medir y representar magnitudes físicas, como voltaje, corriente, temperatura o presión. La información se presenta visualmente en una pantalla analógica, con un dial/aguja sobre una escala circular o lineal. Uno de los esquemas clásicos es el del galvanómetro. Los instrumentos de medida analógicos presentan las siguientes características generales: Visualización Continua: Proporciona una representación continua de la magnitud medida. / 36 Adaptabilidad a Escalas No Lineales: Puede adaptarse a diferentes escalas no lineales. Rapidez de Lectura: Puede mostrar cambios rápidos en tiempo real. Error de Paralaje: Puede afectar la precisión. Poca Resolución: Típicamente no proporcionan más de 3 cifras. Error de Paralaje: Limita la exactitud a 0.5% a plena escala. Lecturas Confusas con Varias Escalas: Las lecturas pueden ser erróneas. Facilidad de lectura: Típicamente 1 lectura/segundo. Bajo coste. 2.2.1.2. INSTRUMENTOS DIGITALES Un instrumento de medida digital muestra información numérica en una pantalla digital, como números o caracteres alfanuméricos. Convierte la señal medida en una representación digital mediante circuitos electrónicos y procesadores que efectúan las operaciones de Muestreo, Retención, Cuantificación y Codificación. Los valores se muestran con alta precisión y resolución. Los instrumentos de medida digitales presentan las siguientes características generales: Exactitud y Precisión: Proporciona mediciones más precisas y resolución. Facilidad de Lectura: Muestra valores numéricos directamente. Eliminación del Error de Paralaje: No está sujeto a este error. Procesamiento Inmediato: Puede enviar datos digitales para análisis o almacenamiento. Coste Elevado. Son más complejos. Escalas No Lineales Difíciles de Introducir. 2.2.2. RESOLUCIÓN DE MEDIDA: RANGO, FONDO Y FACTOR DE ESCALA El rango de un equipo de medida se refiere al intervalo completo de valores que dicho instrumento es capaz de medir. / 37 El fondo de escala de un equipo de medida es el máximo valor de lectura en la escala que está en uso. En otras palabras, representa el límite superior de medición que el instrumento puede alcanzar1. Por ejemplo, si tenemos un termómetro con un rango de -30° C a 50° C, su fondo de escala sería 50° C. En el caso de instrumentos analógicos, también se utiliza el concepto de factor de escala, que relaciona el rango elegido con el número de divisiones en la escala, lo cual se relaciona directamente con la resolución del equipo de medida. En aquellos equipos en los que el fondo de escala sea ajustable el operario deberá tener en cuenta que la escala óptima para la medición es la primera que supere el valor esperado. Teniendo en cuenta que la resolución es el cambio mínimo del valor de entrada al equipo de medida capaz de producir un cambio observable en la salida, si utilizamos una escala demasiado grande para medir una magnitud relativamente pequeña, estaremos desperdiciando parte del margen dinámico disponible en el equipo y causando una pérdida de resolución. Por el contrario, si medimos con un fondo de escala inferior al valor esperado de lectura, estamos haciendo trabajar al equipo fuera de especificación, pudiendo aparecer distorsiones por no linealidad o sobrecarga en el equipo, pudiendo llegar a producir la avería del instrumento. Supongamos que nos disponemos a medir un voltaje aproximado (120 V) y nuestro voltímetro dispone de las siguientes escalas seleccionables: 0 – 20 V 0 – 200 V 0 – 2000 V Dado que el conversor A/D de nuestro voltímetro (aplicable a la escala gráfica de un instrumento analógico) dispondrá de un número de niveles discreto de cuantificación (256, en un ejemplo de 8 bits). Podrá ocurrir lo siguiente: Si configuramos la escala entre 0 – 20 V: Si el equipo espera un máximo de 20 V y estamos midiendo 120 V el equipo presentará no linealidad por sobrecarga pudiendo quedar permanentemente dañado. Si configuramos la escala entre 0 – 200 V: En esta situación la medida está dentro del margen tolerado por el equipo y la resolución será de 200 V / 256 niveles = 0,78 V/nivel. Sería el escenario óptimo. Por último, si configuramos la escala entre 0 – 2000V, a pesar de encontrarnos dentro del margen tolerado por el equipo de medida, debido a la selección de la escala (2000 V / 256 niveles = 7,8 V/nivel), estaremos renunciando a parte de la resolución del equipo por una mala selección de la escala de medida. / 38 2.2.3. MARGEN DINÁMICO El margen dinámico en un equipo de medida se puede definir como el margen existente desde nivel de pico (máximo admisible), hasta nivel de ruido de fondo (zona en la que ya no puede distinguirse la señal del ruido de fondo). Este margen se refiere a la distancia entre el nivel de pico de la señal y el nivel de ruido de fondo. Es relevante para evaluar la calidad de la señal y su relación con el ruido ambiental. En muchos equipos de medida el margen dinámico variará en función de su configuración de uso. 2.2.4. SENSIBILIDAD La sensibilidad de un instrumento de medida o receptor se refiere al nivel mínimo de señal (medido en μV, dBμV o dBm) que el receptor necesita en su entrada producir una medida aceptable la señal recibida. En otras palabras, es la señal más débil que el instrumento puede detectar y procesar de manera útil. 2.2.5. SELECTIVIDAD La selectividad de un instrumento de medida o receptor se refiere a su capacidad para responder solo a la señal específica a la que está sintonizado, mientras rechaza otras señales cercanas en frecuencia. Por ejemplo, en un receptor de radio, la selectividad permite captar claramente una estación de radio particular y evitar interferencias de otras emisoras en canales adyacentes. 2.2.6. ESTABILIDAD La estabilidad de un equipo de medida se refiere a su capacidad para mantener sus características estáticas a lo largo del tiempo. En otras palabras, es la habilidad del instrumento para no cambiar sus propiedades o desviarse con el uso continuo (por ejemplo, si se produjera un calentamiento interno del equipo que resultará en una variación de su funcionamiento). La estabilidad es crucial para garantizar mediciones precisas y confiables a lo largo del tiempo. Si un equipo de medida es estable, sus resultados seguirán siendo consistentes y confiables incluso después de un uso prolongado. Se debe tener en cuenta que algunos instrumentos de medida requerirán ser arrancados unos minutos antes de la realización de las pruebas para “calentar”. 2.2.7. LINEALIDAD La linealidad en instrumentos de medición se refiere a la capacidad del instrumento para producir una salida proporcional y exacta a la magnitud que se está midiendo. Es decir, / 39 cuando un instrumento es lineal, su respuesta es constante y precisa, sin distorsiones o errores significativos. Si el instrumento se encuentra en condiciones normales de trabajo y se utiliza correctamente, la relación entre la entrada (magnitud medida) y la salida (valor indicado) debe mantenerse constante. La linealidad es fundamental para garantizar que los resultados de las mediciones sean precisos y confiables. La no linealidad en equipos de medida electrónicos puede surgir por diversas razones. Aquí algunas posibles causas: Defectos de fabricación Degradación con el tiempo (deriva, degradación de amplificadores, etc.) Golpes eléctricos, mecánicos o un entorno peligroso (como aceites o virutas de metal) también pueden afectar la linealidad Utilización por encima del rango previsto 2.2.8. IMPEDANCIA DE ENTRADA Y SALIDA La impedancia de entrada de un equipo de medida es un parámetro crucial que afecta su rendimiento y precisión, desde el punto de vista de la diferencia de impedancias de salida del DUT (Equipo bajo prueba) y la de entrada del equipo de medida. La impedancia de entrada variará en función de la frecuencia empleada y representa la resistencia eléctrica que presenta el circuito de entrada de un dispositivo a una señal eléctrica. Es fundamental para la transferencia óptima de energía entre dispositivos, que las impedancias de entrada y salida sean lo más parecido posible. En caso de no estar adaptado el circuito de prueba en impedancias. Se producirán dos efectos indeseados: Se producirá una reflexión parcial de la señal de vuelta hacia el DUT (equipo bajo prueba), pudiendo esta causar daños en la etapa final de amplificación del equipo bajo prueba. Se obtendrá una medida errónea, por debajo del nivel real de la señal, puesto que parte de la energía incidente no está entrando al equipo de medida y está siendo reflejada de nuevo hacia el DUT. Esto puede resultar en distorsión, menor intensidad de la señal y problemas en la transmisión de datos. El valor de la impedancia en circuitos depende de la frecuencia de la señal empleada y esto deberá tenerse en cuenta. / 40 2.2.9. VELOCIDAD DE RESPUESTA La velocidad de respuesta en el contexto de un equipo de medida se refiere al tiempo que tarda el sistema en reaccionar a un cambio en la entrada o en producir una salida después de recibir una señal. En otras palabras, es la rapidez con la que el dispositivo puede adaptarse y proporcionar una respuesta precisa. Por ejemplo, en un osciloscopio, la velocidad de respuesta se relaciona con la capacidad del instrumento para seguir y mostrar señales de alta frecuencia con precisión. Este aspecto estará relacionado con la frecuencia de corte del equipo de medida, siendo esta la frecuencia a partir de la cual el equipo de medida empieza a perder las componentes de alta frecuencia y por lo tanto a medir de forma errónea. Por otra parte, en los sistemas Analógico-Digital, se deberá tener en cuenta que la frecuencia de muestreo, para poder reconstruir una señal muestreada, debe ser superior al doble del ancho de banda instantáneo de la señal muestreada. 2.2.10. HISTÉRESIS La histéresis en un equipo de medida se refiere a la diferencia máxima en la salida del instrumento cuando se lee un mismo valor de entrada en direcciones ascendentes y descendentes. Por ejemplo, si tienes un termómetro con un rango de 0 a 100 °C y estás aumentando gradualmente la temperatura, cuando debería marcar 40 °C, podría mostrar 39.9 °C en la dirección de aumento desde 0 hasta 100 °C. En otras palabras, la histéresis representa la variación en la respuesta del instrumento según la dirección del cambio en la variable medida. Es importante tener en cuenta este efecto al evaluar la precisión y confiabilidad de los dispositivos de medición. 2.3. TIPOS DE SENSORES Un sensor eléctrico es un dispositivo que transforma una cantidad física (temperatura, posición, intensidad de la luz, etc.) en una cantidad eléctrica (a menudo un voltaje) que luego puede integrarse en una cadena de procesamiento de señales. Un sensor, también llamado detector, transductor o sonda, convierte los parámetros que no son eléctricos en información que se puede evaluar eléctricamente mediante tensiones y/o intensidades. La curva de calibración del sensor es la curva que da la evolución de la cantidad eléctrica característica del sensor en función de la cantidad física a la que es sensible el

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