DEMOSTRACIÓN DE HABILIDADES PARCIALES

I. Unidades de medición.

Objetivo y criterios de aprendizaje.

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1 El alumno conocerá y utilizará los conceptos de medición, precisión y error, reconociendo además las características metrológicas de los instrumentos de medición. 1

2 Definir los conceptos básicos de medición. 2

3 Describir los instrumentos de medición de acuerdo a su función. 5

DEMOSTRACIÓN DE HABILIDADES PARCIALES (Resultado De Aprendizaje.)

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1 Identificar las unidades y el tipo de instrumento a utilizar para efectuar una medición. 6

2 Utilizar el instrumento adecuado para la toma de medidas considerando las técnicas apropiadas para reducir el error. 20

Introducción.

La observación de un fenómeno es en general incompleta a menos que dé lugar a una información cuantitativa. Para obtener dicha información se requiere la medición de una propiedad física. Así, la medición constituye una buena parte de la rutina diaria del instrumentista.

La medición es la técnica por medio de la cual asignamos un número a una propiedad física, como resultado de una comparación de dicha propiedad con otra similar tomada como patrón, la cual se ha adoptado como unidad y tomando en cuenta el tipo de instrumento involucrado en dicho proceso.

Todos los instrumentos deben ser especificados a un punto tal que aseguren la operación del proceso y que permita la estimación de sus costos. Estas especificaciones se pueden sistematizar, aplicándolas tanto a sistemas sensores como a sistemas actuadores, sin que todas y cada una de las definiciones que siguen a continuación sean aplicables a todo sensor o actuador. Sin embargo, las definiciones conforman parte del léxico básico del proyecto de instrumentación.

PRECISION (o EXACTITUD)

Todo sistema sensor responde a un principio físico, químico o biológico que permite su funcionamiento. Por ende, todo sistema sensor tendrá limitaciones que serán inherentes a sus principios. Una de tales limitaciones es la precisión, que regula el margen de imprecisión instrumental. Por ejemplo, dado un sistema de medición de temperatura, de precisión 0,05 ºC, cuando su lectura fuese de 37,2ºC significa que la temperatura del ambiente medido está entre 37,15 y 37,25 ºC.

Habitualmente, la precisión se expresa como porcentaje de la escala completa. Por ejemplo, un termómetro cuyo tope de escala fuese 100ºC y de precisión 0,5% significa que toda lectura de T ºC estará sujeta a una imprecisión de 0,5ºC (si se mide 37,2ºC, la temperatura estará entre 36,7 y 37,7 ºC).

La precisión está asociada al cálculo de la desviación estándar del instrumento o de un procedimiento analítico.

ERROR

Expresa la diferencia entre la magnitud medida y la lectura instrumental. En toda aplicación se desearía que el error fuese 0; sin embargo, todo los instrumentos modifican su comportamiento a lo largo de su vida y es común calibrarlos de cuando en cuando. Un instrumento tan sencillo como un termómetro de mercurio se debe calibrar para corregir el error. Por ejemplo, si un reactor está a 70ºC y el instrumento lee 69ºC, el error será de –1ºC.

El error se define, habitualmente, como Lectura-Valor real; si bien podría usarse a la inversa sin mayores confusiones, con tan sólo especificar que opción se usa.

ERROR de NO LINEALIDAD

Los instrumentos ideales son lineales. De hecho, la mayoría de los sistemas instrumentales comerciales tienen respuesta lineal. Puede ocurrir, sin embargo, que la respuesta no sea estrictamente lineal y, por ende, que ocurra un error por no linealidad de la respuesta del instrumento.

Un caso típico que conviene tener en cuenta es el de los electrodos y medidores de pH. Como es sabido, la escala de pH resulta lineal pues el potencial de Nernst generado corresponde al logaritmo negativo de la concentración molar de hidrógeno ionizado (H+). A pesar de la sólida definición que sustenta la linealidad del medidor y de la electrónica utilizada para la amplificación, los sistemas (electrodo más medidor) de medición de pH sufren de no linealidades y, en realidad, la relación entre el pH de la solución y el pH medido es más bien como indican los puntos (circulitos) que como la línea sólida (hipotética respuesta lineal) de la figura a continuación.

REPETIBILIDAD

Especifica la habilidad del instrumento para entregar la misma lectura en aplicaciones repetidas del mismo valor de la variable medida. Así, por ejemplo, si a una misma presión de 25 p.s.i.g., un manómetro de precisión de 1 p.s.i., entrega las lecturas de 25,5; 26; 24,3; y 24 p.s.i.g. su operación es repetible; una lectura de 27 p.s.i.g. indicaría un problema de repetibilidad del instrumento (a menos que conste que fuese un problema de histéresis).

REPRODUCIBILIDAD

Se refiere a la capacidad del instrumento de mantener una misma lectura cuando el valor de la especie sensada está a valor constante. También se utiliza este término para describir la capacidad de entregar el mismo valor medio y desviación estándar al medir repetidamente un mismo valor.

SENSIBILIDAD

Término utilizado para describir el mínimo cambio en la especie sensada que el instrumento puede detectar. Su definición es similar a la definición de ganancia pero se refiere, más bien, a la posibilidad de discriminar dos valores muy cercanos entre si. La sensibilidad se expresa cuantitativamente mediante la tasa de cambio de la medición respecto del cambio en la especie sensada.

Es común (pero erróneo) asociar la sensibilidad a la escala de lectura; p.e. si una escala de temperatura tiene divisiones cada un grado centígrado, se podría pensar que la sensibilidad fuese de ½ grado porque no sería posible "estimar" valores como ¼ de grado. En realidad, es posible que el sistema termómetro en uso necesite un cambió de un grado antes de modificar su aguja indicadora.

RESOLUCIÖN

Se refiere, precisamente, al contra ejemplo anterior. Expresa la posibilidad de discriminar entre valores, debido a las graduaciones del instrumento. Se suele hablar de número de dígitos para indicadores numéricos digitales y de porcentaje de escala para instrumentos de aguja. Es bien sabido, por ejemplo, que los termómetros de baja calidad sólo tienen indicaciones cada 10 ºC, sin subdivisiones, a fin de enfatizar al usuario que el instrumento sólo da una noción y no se debe usar como instrumento de alta resolución. La resolución está en directa relación a la escala del instrumento.

RANGO

Expresa los límites inferior y superior del instrumento. Por ejemplo, los sistemas de medición de pH suelen ser de rango 0 a 14 (aún cuando la "escala" conceptual de pH puede exceder este rango; pero, en soluciones que no llamaríamos "acuosas").

RANGO de TRABAJO o de OPERACIÓN

Muchos instrumentos, sobre todo los industriales, permiten definir sub rangos de su rango intrínseco, Típico de medidores de pH, subrangos de 0 a 1,4; de 1 a 2,4; de 2 a 3,4; etc. El rango de trabajo mejora la resolución pero no necesariamente la sensibilidad.

BANDA MUERTA

Los instrumentos suelen ser insensibles a muy pequeños cambios, porque su sensibilidad así lo impone. Este mismo concepto puede ser visto a la inversa, especificando, en cambio, la banda (en el sentido de espacio) muerta del instrumento, es decir, cuan grande debe ser el cambio de la especie sensada para que el instrumento reaccione. Este término también se aplica a los rangos de valor de la especie sensada para los que el instrumento no responde; p.e. temperaturas debajo o sobre el rengo de un termómetro.

CORRIMIENTO DEL CERO

La lectura en cero suele cambiar por razones asociadas al uso de un instrumento o porque las etapas amplificadoras sufren de deriva en el tiempo (como, por ejemplo, la línea base de un cromatograma). Los instrumentos deben especificar su tolerancia al corrimiento del cero y, además, los procedimientos y periodicidad de recalibraciones. Un caso muy típico es el cero de la escala de pH (la concentración molar de H+ es igual a la de OH- a pH 7,00) que se debe recalibrar frecuentemente.

TIEMPO DE RESPUESTA

La medición de cualquier variable de proceso puede implicar una demora, (debida a fenómenos de equilibrio, transporte, etc.) que debe ser definida adecuadamente. Si la medición tiene una cinética más lenta que la de la propia variable, habrá que disponer de sistemas complejos de predicción del valor en lugar de descansar sólo sobre la medición instrumental. Los tiempos de respuesta se definen en base al tiempo necesario para obtener una medida que corresponda al 96% (o cualquier otro porcentaje) del valor final. Los electrodos de pH comunes, por ejemplo, tienen tiempos de respuesta del orden 5 segundos; pero existen electrodos de mejores tiempos de respuesta (electrodos de "Ross"), del orden de un segundo.

HISTÉRESIS

Algunos instrumentos presentan un fenómeno de "memoria" que impone un histéresis a su respuesta. En particular, un sistema de medición de presión podría indicar los cambios de presión según si la presión anterior era más alta o más baja que la actual, debido a fenómenos de resistencia viscosa al desplazamiento de partes

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