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Comprender el desempeño y las especificaciones de medición

Jarkko Ruonala
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Jarkko Ruonala

Product Manager

Vaisala

Manufactura Industrial y Procesos
Mediciones industriales

La calidad de un dispositivo de medición suele evaluarse mediante una simple pregunta: ¿Qué tan precisa es la medición? Aunque esta pregunta parezca bastante sencilla, la respuesta no siempre lo es. Elegir el instrumento de medición más adecuado implica comprender los factores que contribuyen a la incertidumbre de una medición. Esto, a su vez, proporciona una comprensión de lo que se establece en las especificaciones y lo que no.

El desempeño de una medición se define por su dinámica (rango de medición, tiempo de respuesta), exactitud (repetibilidad, precisión y sensibilidad) y estabilidad (tolerancia al envejecimiento y entornos hostiles). De estos factores, a menudo se considera que la exactitud es la cualidad más importante; y también, una de las más difíciles de especificar.

Lea el artículo completo que se encuentra continuación o vea este webinar acerca de Comprender sus especificaciones.


Sensibilidad y precisión

La relación entre el cambio en el resultado de la medición y el cambio en el valor de referencia se denomina sensibilidad. Lo ideal sería que esta relación sea perfectamente lineal, pero en la práctica todas las mediciones implican algunas imperfecciones o incertidumbres.

Figure 1: Repeatability

Figure 2: Transfer Function

Figure 1: La coincidencia del valor medido con el valor de referencia se suele denominar simplemente "exactitud", pero en este caso se trata de un término algo vago. La precisión especificada suele incluir la repetibilidad, es decir, la capacidad del instrumento de proporcionar un resultado similar cuando la medición se repite en condiciones constantes. (Figura 1) Sin embargo, puede incluir o no la histéresis, la dependencia de la temperatura, la no linealidad y la estabilidad a largo plazo. La repetibilidad por sí sola suele ser una fuente menor de incertidumbre en la medición y, si la especificación de precisión no incluye otras incertidumbres, puede dar una impresión errónea del rendimiento real de la medición.

Figure 2: La relación entre los valores de medición y una referencia conocida a menudo se denomina función de transferencia. (Figura 2) Cuando se ajusta una medición, esta relación se afina con una referencia de calibración conocida. Lo ideal es que la función de transferencia sea perfectamente lineal en todo el rango de medición, pero en la práctica la mayoría de las mediciones implican algún cambio en la sensibilidad, dependiendo de la magnitud del mensurando. 

Figure 3: Non-linearity

Figure 4: Hysteresis

Figure 3: Este tipo de imperfección se conoce como no linealidad. (Figura 3) Este efecto a menudo se enfatiza en los extremos del rango de medición. Por lo tanto, es útil verificar si la especificación de precisión incluye la no linealidad y si la precisión se especifica o no para el rango de medición completo. Si no es así, esto da motivos para dudar de la precisión de la medición cerca de los extremos.

Figure 4: La histéresis es el cambio en la sensibilidad de medición que depende de la dirección del cambio en la variable medida. (Figura 4) Esta puede ser una causa importante de incertidumbre en la medición en el caso de algunos sensores de humedad, que se fabrican con un material que se une fuertemente a las moléculas de agua. Si la precisión especificada no indica si se incluye la histéresis, esta fuente de incertidumbre de medición se dejará sin especificar. Además, si la secuencia de calibración se realiza en una sola dirección, el efecto de la histéresis no será visible durante la calibración, y si se omite la histéresis de la especificación, también es imposible conocer el nivel de histéresis en la medición. Los sensores de polímero de película delgada de Vaisala tienen una histéresis insignificante y esto siempre se incluye en la precisión especificada.

Las condiciones ambientales, como la temperatura y la presión, también afectan la precisión de una medición. Si no se especifica la dependencia de la temperatura y la temperatura de funcionamiento cambia de manera significativa, la repetibilidad puede verse comprometida. La especificación se puede dar para la temperatura de operación total o para un rango de operación específico, limitado o "típico". Las especificaciones expresadas de esta manera dejan otros rangos de temperatura sin especificar.

Sensibilidad y precisión

La relación entre el cambio en el resultado de la medición y el cambio en el valor de referencia se denomina sensibilidad. Lo ideal sería que esta relación sea perfectamente lineal, pero en la práctica todas las mediciones implican algunas imperfecciones o incertidumbres.

Repeatability graph
Figure 1: Repeatability

La coincidencia del valor medido con el valor de referencia se suele denominar simplemente "exactitud", pero en este caso se trata de un término algo vago. La precisión especificada suele incluir la repetibilidad, es decir, la capacidad del instrumento de proporcionar un resultado similar cuando la medición se repite en condiciones constantes. (Figura 1) Sin embargo, puede incluir o no la histéresis, la dependencia de la temperatura, la no linealidad y la estabilidad a largo plazo. La repetibilidad por sí sola suele ser una fuente menor de incertidumbre en la medición y, si la especificación de precisión no incluye otras incertidumbres, puede dar una impresión errónea del rendimiento real de la medición.

Ideal transfer function graph
Figure 2: Transfer Function

La relación entre los valores de medición y una referencia conocida a menudo se denomina función de transferencia. (Figura 2) Cuando se ajusta una medición, esta relación se afina con una referencia de calibración conocida. Lo ideal es que la función de transferencia sea perfectamente lineal en todo el rango de medición, pero en la práctica la mayoría de las mediciones implican algún cambio en la sensibilidad, dependiendo de la magnitud del mensurando. 

 

 

Non-linearity graph
Figure 3: Non-linearity

Este tipo de imperfección se conoce como no linealidad. (Figura 3) Este efecto a menudo se enfatiza en los extremos del rango de medición. Por lo tanto, es útil verificar si la especificación de precisión incluye la no linealidad y si la precisión se especifica o no para el rango de medición completo. Si no es así, esto da motivos para dudar de la precisión de la medición cerca de los extremos.

 

 

Hysteresis graph
Figure 4: Hysteresis

La histéresis es el cambio en la sensibilidad de medición que depende de la dirección del cambio en la variable medida. (Figura 4) Esta puede ser una causa importante de incertidumbre en la medición en el caso de algunos sensores de humedad, que se fabrican con un material que se une fuertemente a las moléculas de agua. Si la precisión especificada no indica si se incluye la histéresis, esta fuente de incertidumbre de medición se dejará sin especificar. Además, si la secuencia de calibración se realiza en una sola dirección, el efecto de la histéresis no será visible durante la calibración, y si se omite la histéresis de la especificación, también es imposible conocer el nivel de histéresis en la medición. Los sensores de polímero de película delgada de Vaisala tienen una histéresis insignificante y esto siempre se incluye en la precisión especificada.

Las condiciones ambientales, como la temperatura y la presión, también afectan la precisión de una medición. Si no se especifica la dependencia de la temperatura y la temperatura de funcionamiento cambia de manera significativa, la repetibilidad puede verse comprometida. La especificación se puede dar para la temperatura de operación total o para un rango de operación específico, limitado o "típico". Las especificaciones expresadas de esta manera dejan otros rangos de temperatura sin especificar.

Estabilidad y selectividad

La sensibilidad de un dispositivo de medición puede cambiar con el tiempo debido al envejecimiento. En algunos casos, este efecto puede verse acelerado por la interferencia de productos químicos u otros factores ambientales. Si no se especifica la estabilidad a largo plazo, o si el fabricante no puede proporcionar recomendaciones para el intervalo de calibración típico, la especificación solo indica la precisión en el momento de la calibración. Un cambio lento en la sensibilidad (a veces denominado deriva o fluencia) es dañino porque puede ser difícil de observar y puede causar problemas latentes en los sistemas de control.

La selectividad se define como la insensibilidad del instrumento a los cambios en factores distintos al mensurando real. Por ejemplo, la medición de la humedad realizada en una atmósfera que contiene ciertos productos químicos puede verse afectada de modo que la medición se vea realmente influenciada por los productos químicos. Este efecto puede ser reversible o irreversible. La respuesta a algunos productos químicos puede ser extremadamente lenta y esta sensibilidad cruzada al producto químico puede confundirse fácilmente con la deriva. Un instrumento con buena selectividad no se ve afectado por cambios en ningún factor que no sea el mensurando real.

Calibración e incertidumbre

Si las lecturas de medición se desvían de la referencia, se puede corregir la sensibilidad del instrumento. Esto se conoce como ajuste. El ajuste realizado en un punto se denomina corrección de compensación; el ajuste de dos puntos es una corrección lineal tanto para la compensación como para la ganancia (sensibilidad). Si la medición debe ajustarse en varios puntos, esto podría indicar una linealidad deficiente en la medición, que debe compensarse con correcciones multipunto no lineales. Además, si los puntos de ajuste son los mismos que los puntos de calibración, la calidad de la medición entre los puntos de ajuste permanece sin verificar.

Una vez ajustado el instrumento, se calibra para verificar la precisión. La calibración, que a veces se confunde con el ajuste, significa comparar el valor medido con una referencia conocida, llamada estándar de trabajo. El estándar de trabajo es el primer elemento en la cadena de trazabilidad, lo que significa la serie de calibraciones y referencias hasta el estándar primario. Mientras que una serie de instrumentos calibrados con una determinada referencia pueden ser precisos entre sí (precisión alta), la precisión absoluta con respecto al estándar primario no se puede verificar si no se especifica la incertidumbre de calibración.

La trazabilidad de la calibración significa que la cadena de mediciones, referencias e incertidumbres relacionadas hasta el estándar primario se conocen y documentan de modo profesional. Esto permite el cálculo de la incertidumbre de la referencia de calibración y la determinación de la precisión del instrumento. 

¿Qué es "suficientemente preciso"?

Al elegir un instrumento de medición, es necesario considerar el nivel de precisión requerido. Por ejemplo, en aplicaciones de control de ventilación estándar donde la humedad relativa se ajusta para la comodidad humana, ±5 % HR puede ser aceptable. Sin embargo, en una aplicación como el control de torres de enfriamiento, se requiere un control más preciso y márgenes más pequeños para aumentar la eficiencia operativa. 

Cuando la medición se utiliza como señal de control, la repetibilidad y la estabilidad a largo plazo (precisión) son importantes, pero la precisión absoluta frente a una referencia trazable es menos importante. Este es especialmente el caso en un proceso dinámico, donde las variaciones de temperatura y humedad son grandes y la estabilidad de la medición, en lugar de la precisión absoluta, es crucial. 

Por otro lado, si, por ejemplo, la medición se utiliza para verificar que las condiciones de prueba dentro de un laboratorio son comparables con las de otros laboratorios, la precisión absoluta y la trazabilidad de la calibración son de suma importancia. Un ejemplo de un requisito de precisión de este tipo se encuentra en la norma TAPPI/ANSI T402: atmósferas de prueba y acondicionamiento estándar para papel, cartón, hojas de pulpa y productos relacionados, que define la condición de prueba en un laboratorio de prueba de papel como 23 ±1,0 °C y 50 ±2 % HR. Si la precisión especificada de la medición fue, por ejemplo, ±1,5 % HR pero la incertidumbre de la calibración fue de ±1,6 % HR, la incertidumbre total con respecto al estándar de calibración principal superaría la especificación y los análisis realizados, que dependen en gran medida de la humedad ambiental dentro de la instalación de prueba; de este modo, no sería comparable y no sería posible confirmar que los análisis se realizaron en condiciones estándar. 

La especificación de precisión por sí sola, sin información sobre la incertidumbre de referencia de la calibración, deja sin definir la precisión absoluta del instrumento.

Vaisala se enorgullece de brindar especificaciones profesionales e integrales que se basan en estándares internacionales, métodos de prueba científica y datos empíricos. Para los clientes, esto significa información completa y fiable que los ayuda a elegir el producto correcto.

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Figure 5: Comparison of accuracy information in specifications of three different brands of high-accuracy humidity transmitter

Preguntas que se deben hacer al elegir un instrumento

  • ¿La precisión especificada incluye todas las posibles incertidumbres: repetibilidad, no linealidad, histéresis y estabilidad a largo plazo?
  • ¿La precisión especificada cubre el rango de medición completo o el rango para la especificación de precisión es limitado? ¿Se indica la dependencia de la temperatura en la especificación o se define el rango de temperatura en la especificación de precisión?
  • ¿Puede el fabricante proporcionar un certificado de calibración adecuado? ¿Incluye el certificado información sobre el método de calibración, las referencias utilizadas y la incertidumbre de referencia calculada de modo profesional? ¿El certificado incluye más de uno o dos puntos de calibración y cubre todo el rango de medición?
  • ¿Se da la recomendación para el intervalo de calibración o se incluye la estabilidad a largo plazo en la especificación  de precisión? ¿Qué nivel de selectividad se requiere en el entorno operativo previsto? ¿Puede el fabricante proporcionar información o referencias sobre la idoneidad del instrumento para el entorno y la aplicación previstos?
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Jarkko Ruonala

Jarkko Ruonala

Product Manager

Vaisala

Jarkko Ruonala is a Product Manager for Vaisala Industrial Measurements. He has a background in automation, instrumentation and process analyzers. He has a Master of Science degree in Industrial Engineering and Management from the University of Oulu, Finland.

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