INTRODUCCIÓN

El avance de la sociedad siempre ha estado relacionado con diferentes sucesos que han surgido a lo largo de la historia y uno de ellos muy importante en dicho desarrollo es debido sin duda alguna al avance del proceso de medición. La Metrología es la ciencia de las mediciones y éstas son una parte permanente e integrada de nuestro diario vivir que a menudo perdemos de vista. En la metrología se entrelazan la tradición y el cambio; los sistemas de medición reflejan las tradiciones de los pueblos pero al mismo tiempo estamos permanentemente buscando nuevos patrones y formas de medir como parte de nuestro progreso y evolución.

Es por medio de diferentes aparatos e instrumentos de medición que se realizan pruebas y ensayos que permiten determinar la conformidad con las normas existentes de un producto o servicio; en cierta medida, esto permite asegurar la calidad de los productos y servicios que se ofrecen a los consumidores.

¿Qué es Metrología?

La metrología (del griego µetron, y logos estudio, medida tratado) es la ciencia y técnica que tiene por objeto el estudio de los sistemas de pesos y medidas, y la determinación de las magnitudes físicas.

Históricamente esta disciplina ha pasado por diferentes etapas; inicialmente su máxima preocupación y el objeto de su estudio fue el análisis de los sistemas de pesas y medidas antiguos, cuyo conocimiento se observa necesario para la correcta comprensión de los textos antiguos.

Ya desde mediados del siglo XVI, sin embargo, el interés por la determinación de la medida del globo terrestre y los trabajos que al efecto se llevaron a cabo por orden de Luis XIV, pusieron de manifiesto la necesidad de un sistema de pesos y medidas universal, proceso que se vio agudizado durante la revolución industrial y culminó con la creación de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas y la construcción de patrones para el metro y el kilogramo en 1872.

Establecidos ya patrones de las unidades de medida fundamentales por la oficina mencionada, la metrología se ocupa hoy día, sin olvidar su vertiente histórica, del proceso de medición en sí, es decir, del estudio de los procesos de medición, incluyendo los instrumentos empleados, así como de su calibración periódica; todo ello con el propósito de servir a los fines tanto industriales como deinvestigación científica.

. Importancia y Beneficios de la Metrología

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Las mediciones correctas tienen una importancia fundamental para los gobiernos, para las empresas y para la población en general, ayudando a ordenar y facilitar las transacciones comerciales. A menudo las cantidades y las características de un producto son resultado de un contrato entre el cliente (consumidor) y el proveedor (fabricante); las mediciones facilitan este proceso y por ende inciden en la calidad de vida de la población, protegiendo al consumidor, ayudando a preservar el medio ambiente y contribuyendo a usar racionalmente los recursos naturales.

Actualmente, con la dinamización del comercio a nivel mundial, la Metrología adquiere mayor importancia y se hace más énfasis en la relación que existe entre ella y la calidad, entre las mediciones y el control de la calidad, la calibración, la acreditación de laboratorios, la trazabilidad y la certificación. La Metrología es el núcleo central básico que permite el ordenamiento de estas funciones y su operación coherente las ordena con el objetivo final de mejorar y garantizar la calidad de productos y servicios.

El desarrollo de la metrología proporciona múltiples beneficios al mundo industrial, como veremos a continuación:

• Promueve el desarrollo de un sistema armonizado de medidas, análisis ensayos exactos, necesarios para que la industria sea competitiva

.• Facilita a la industria las herramientas de medida necesarias para la investigación y desarrollo de campos determinados y para definir y controlar mejor la calidad de los productos.

• Perfecciona los métodos y medios de medición.

• Facilita el intercambio de información científica y técnica.

• Posibilita una mayor normalización internacional de productos en general, maquinaria, equipos y medios de medición.

1.1 CONCEPTO DE MEDICION Y MEDIDA

Una medición es el resultado de la acción de medir. Este verbo, con origen en el término latino metiri, se refiere a la comparación que se establece entre una cierta cantidad y su correspondiente unidad para determinar cuántas veces dicha unidad se encuentra contenida en la cantidad en cuestión.

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Por ejemplo: “De acuerdo a la última medición, el pino que se encuentra junto al lago ya mide más de treinta metros”, “Antes de comprar el sillón, tenemos que realizar la medición del espacio disponible”, “La final del torneo fue seguida por TV por más de veinte millones de espectadores, según una medición de los organizadores”.

La medición, en definitiva, consiste en determinar qué proporción existe entre una dimensión de algún objeto y una cierta unidad de medida. Para que esto sea posible, el tamaño de lo medido y la unidad escogida tienen que compartir una misma magnitud.

La unidad de medida, por otra parte, es el patrón que se emplea para concretar la medición. Es imprescindible que cumpla con tres condiciones: la inalterabilidad (la unidad no debe modificarse con el tiempo ni de acuerdo al sujeto que lleva a cabo la medición), la universalidad (tiene que poder usarse en cualquier país) y la facilidad de reproducción. Cabe destacar que es muy difícil realizar una medición exacta, ya que los instrumentos usados pueden tener falencias o se pueden cometer errores durante la tarea.

En la música, se suele repetir el término “La 440″ o “tono de concierto”. Esto representa la estandarización de la cantidad de vibraciones por segundo que tiene una determinada nota, el La central del piano, y permite una coherencia en la afinación de todos los instrumentos. La unidad utilizada es Hz y para la medición se suele utilizar un diapasón, compañero inseparable de cantantes de ópera y coreutas.

1.2 SISTEMAS DE UNIDADES

Sistema internacional (SI)

El Sistema Internacional de Unidades (SI) es un sistema absoluto. La unidad de fuerza derivada recibe el nombre de Newton y su símbolo es N. Las unidades fundamentales son 7 y aparecen detalladas en el siguiente cuadro:

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MAGNITUD UNIDAD SÍMBOLO

Longitud Metro M

Masa Kilogramo Kg

Tiempo Segundo S

Intensidad de corriente Amperio A

Temperatura termodinámica

Kelvin K

Cantidad de sustancia Mol Mol

Intensidad luminosa Candela Cd

Prefijos nominales.

NOMBRE SÍMBOLO FACTOR

Giga G 1.000.000.000 = 109

Mega M 1.000.000 = 106

Kilo K 1.000 = 103

Mili M 0,001 = 10-3

Micro Μ 0,000 001 = 10-6

Nano Η 0,000 000 001= 10-9

Reglas para el empleo.

Los símbolos se escriben con minúscula a no ser que procedan del nombre de un científico en cuyo caso la primera letra es mayúscula.

Los nombres de las unidades se escriben con minúscula salvo grado Celsius.

Utilizar únicamente los prefijos de múltiplos y submúltiplos en periodos de 1000.

Se recomienda utilizar mm, m o km, pero no cm.

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Las unidades con prefijo no deben emplearse en el denominador de las unidades derivadas.

Se recomienda utilizar MN /m2, pero no N/mm2.

Seleccionar los prefijos adecuados para obtener cifras con no más de 4 números enteros. En lugar de 298000 m, se recomienda 298 km.

Sistema Métrico Decimal

 Primer sistema unificado de medidas. Es un sistema de unidades basado en el metro, en el cual los múltiplos y submúltiplos de una unidad de medida están relacionadas entre sí por múltiplos o submúltiplos de 10.

Sistema cegesimal (CGS)

El Sistema Cegesimal de Unidades (CGS) es un sistema absoluto. Las unidades fundamentales son el gramo (masa), el centímetro y el segundo. La unidad de fuerza derivada recibe el nombre de dina, y su símbolo es dina.

Sistema técnico (ST)

El sistema Técnico Métrico (ST) es un sistema gravitacional de unidades. Las unidades fundamentales son el kilogramo fuerza, el metro y el segundo. La unidad de masa derivada recibe el nombre de Unidad Técnica de Masa (UTM).

Sistema inglés de unidades

El Sistema Inglés de Unidades tiene cuatro unidades fundamentales. Éstas son la libra (masa), el pié, el segundo y la libra (fuerza)

1.3 EXACTITUD, PRECISIÓN Y ERROR

En cualquier actividad científica o técnica es inevitable la existencia de errores. Puede tratarse de errores de medición o errores de transcripción, errores de posicionamiento o errores en la variable medida.

Tan absurdo resultaría negar el error como invertir esfuerzos más allá de lo razonable para conseguir pequeñas reducciones del mismo una vez que se ha conseguido una exactitud adecuada para los objetivos del trabajo. La actitud más razonable es tratar de estimar la magnitud de los errores cometidos, comunicarlo y tenerlo en cuenta para no pedirle a los resultados una precisión mayor de la que realmente pueden ofrecer.

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En primer lugar hay que distinguir entre precisión y exactitud. Precisión es el detalle con el que un instrumento o procedimiento puede medir una variable mientras que exactitud es lo que se acerca esta medición al valor real, en SIG el concepto de precisión se relaciona con el de resolución en formato raster. El   error   es la diferencia entre el valor real y el medido , sin embargo puesto que el valor real nunca se conoce realmente, el error siempre debe estimarse.

Por ejemplo, una regla tiene una precisión de milímetro mientras que un metro de electricista tiene una precisión de centímetro. Sin embargo será más exacto medir un muro con un metro que con una regla ya que el instrumento es más apropiado.

En ocasiones los errores proceden de la utilización de ordenadores con precisión finita para manejar el espacio que es un continuo. Los errores en las operaciones en coma flotante de los ordenadores pueden afectar a los resultados, por ello es recomendable utilizar siempre números enteros. Por ejemplo, las coordenadas X e Y deberían expresarse siempre en metros nunca en kilómetros, los valores de las variables regionalizadas deberían expresarse de forma que no incluyeran decimales (altitud en centímetros, precipitación en décimas de milímetro, etc.). De esta manera además de prevenir errores conseguiríamos que los ficheros ocuparan menos en el disco duro.

Exactitud es la concordancia del resultado de la misma comparada con el valor verdadero del objeto que está siendo medido (mensurando). Por ejemplo, si pesamos una masa patrón, calibrada y con trazabilidad, con un valor certificado de 1,0052 g en una balanza analítica y el resultado de la pesada es 1,0047 g, la diferencia entre el valor verdadero y el valor de la medición es de sólo 0,04%. La balanza del ejemplo es un instrumento exacto, con su parámetro de exactitud cuantificado en un porcentaje. Si el resultado de la pesada hubiese sido 1,0145 g el instrumento es menos exacto. La aplicación determina si la exactitud del instrumento es apropiada, un error de 4,9% puede ser inaceptable en un

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laboratorio farmacéutico pero puede ser aceptable en una balanza de campo utilizada para pesar muestras geológicas o especímenes vivos. Es importante tener en cuenta que la exactitud de un instrumento de medición sólo puede conocerse y cuantificarse con materiales de referencia.

La precisión es un término relacionado con la confiabilidad de un instrumento, es decir, si un instrumento proporciona resultados similares cuando se mide un material de referencia de manera repetida, entonces el instrumento es preciso. Por ejemplo, si se mide con un micrómetro un patrón de longitud 10 o 15 veces y la desviación estándar de los resultados de las mediciones es pequeña, digamos, 0,1% del valor central, entonces se puede considerar al instrumento como preciso.

Error.- Es la desviación a partir del valor real de la variable medida.

Entendemos por error a la indeterminación o incerteza propia del proceso de medición y no lo tomamos como si fuera una equivocación por el operador.

El error de medición se define como la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero. Afectan a cualquier instrumento de medición y pueden deberse a distintas causas.

Errores debidos al operador

El operador influye en los resultados de una medición por la imperfección de sus sentidos así como por la habilidad que posee para efectuar las medidas. Las tendencias existentes para evitar estas causas de errores son la utilización de instrumentos de medida en los que elimina al máximo la intervención del operador.

Error de lectura y paralaje.

Cuando los instrumentos de medida no tienen lectura digital se obtiene la medida mediante la comparación de escalas a diferentes planos. Este hecho puede inducir a lecturas con errores de apreciación, interpolación, coincidencia, etc. Por otra parte si la mirada del operador no está situada totalmente perpendicular al plano de escala aparecen errores de paralaje. Esto se da en instrumentos analógicos

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1.4 Sensibilidad.

Sensibilidad.- Relación de la señal de salida o respuesta del instrumento respecto al cambio de la entrada o variable medida.

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

Sensibilidad de los instrumentos

La sensibilidad de un instrumento se determina por la intensidad de corriente necesaria para producir una desviación completa de la aguja indicadora a través de la escala. El grado de sensibilidad se expresa de dos maneras, según se trate de un amperímetro o de un voltímetro.

En el primer caso, la sensibilidad del instrumento se indica por el número de amperios, miliamperios o microamperios que deben fluir por la bobina para producir una desviación completa. Así, un instrumento que tiene una sensibilidad de 1 miliamperio, requiere un miliamperio para producir dicha desviación, etcétera.

En el caso de un voltímetro, la sensibilidad se expresa de acuerdo con el número de ohmios por voltio, es decir, la resistencia del instrumento. Para que un voltímetro sea preciso, debe tomar una corriente insignificante del circuito y esto se obtiene mediante alta resitencia.

El número de ohmios por voltio de un voltímetro se obtiene dividiendo la resistencia total del instrumento entre el voltaje máximo que puede medirse. Por ejemplo, un instrumento con una resistencia interna de 300000 ohmios y una escala para un máximo de 300 voltios, tendrá una sensibilidad de 1000 ohmios por voltio. Para trabajo general, los voltímetros deben tener cuando menos 1000 ohmios por voltio.

Toda medida viene afectada por una imprecisión mínima; es decir, el límite de la precisión de la medida, que es la sensibilidad del instrumento de medida. Se define como la menor división de la escala en que está graduado el instrumento.

La sensibilidad de un aparato de medida está relacionada con la calidad de las medidas que se realicen con él.

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1.5. FORMAS DE ONDAS

Las magnitudes fundamentales que se van a calcular en un circuito son tensiones y corrientes. Estas magnitudes son provocadas por los elementos activos existentes en el circuito y su valor dependerá de la función que siga la tensión en las fuentes de tensión (o la intensidad en las fuentes de intensidad), además del resto de elementos pasivos que constituyan el circuito.

A estas magnitudes le llamaremos señales, así tendremos señales de tensión y señales de corriente. Estas señales que pueden tomarse directamente de las fuentes, o de cualquier punto del circuito estarán constituidas por valores de tensión o de corriente que variarán con el tiempo, cuya representación dará lugar a una curva que obedecerá a una función más o menos compleja. A la forma de esa curva es a lo que llamaremos forma de onda de la señal.

Forma de onda

Es la curva que representa en cada instante la evolución de la tensión (o la intensidad)

Las formas de onda que se pueden presentar en un circuito pueden ser infinitas, pero las podemos agrupar en tres grandes grupos, en los que podremos distinguir las particularidades que aparecen en los circuitos en función del tipo de forma de onda que presenten los generadores del circuito.

• Señales con forma de onda constante Las fuentes que presentan una señal constante en el tiempo, reciben el nombre de fuentes de continua. Así mismo a los circuitos que solo tengan fuentes de continua, les llamaremos circuitos de continua, en los que todas las corrientes y tensiones serán constantes en el tiempo. En este tipo de circuitos solo tendremos resistencias como elementos pasivos.

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• Señales con forma de onda periódica A las señales que no son constantes les llamaremos señales variables en el tiempo, las cuales tendrán su correspondiente forma de onda. De las cuales destacaremos en primer lugar las que cumple la condición de ser periódicas, es decir, hay un intervalo de tiempo y por tanto una porción de la onda que se repite continuamente

Señal o función periódica.

Es aquella cuya forma de onda va tomando valores que se repiten en el tiempo cada cierto intervalo llamado periodo

T. f (t) = f (t +T) = f (t + nT) n = número entero

Una característica de las señales periódicas es el concepto de alternancia, de modo que diremos que una señal o función es alterna cuando su forma de onda va tomando valores positivos y negativos alternadamente. Por ejemplo, las señales a, b, c, h, i, j y m de la fig. 1.5. De las señales periódicas, mención especial tienen las que responden a la función seno o coseno. Las fuentes que proporcionan esta forma de onda reciben el nombre de fuentes de alterna o generadores de alterna, llamados también alternadores. Esta señal es la que proporciona la máquina eléctrica generadora básica y su forma se debe al ser generada por un elemento rotativo de la máquina, que estudiaremos en el siguiente tema. En los centros de producción de energía eléctrica se utiliza este sistema, por lo que la forma de onda de la tensión en los sistemas de suministro, transporte y consumo es periódica, alterna y senoidal. Este tipo de señales son la a y la m de la fig. 1.5, aunque de distinta frecuencia. A los circuitos que solo tengan fuentes de alterna, les llamaremos circuitos de alterna, en los que todas las corrientes y tensiones serán de este tipo. Debido a la importancia de este tipo de circuitos, será con estos con los que estudiaremos todos los métodos de análisis. En los circuitos en los que exista una fuente con forma de onda periódica pero no senoidal, aplicaremos un método de análisis en el que la función periódica se puede descomponer en señales senoidales superpuestas, aplicando a cada una de ellas los métodos estudiados. Hay un tema dedicado a este tipo de señales.

Señales con forma de onda no periódica

Las fuentes que presentan una señal variable pero no periódica, corresponden a formas de onda complejas, de las que se pueden distinguir formas simples, como cambios de la señal en un tiempo breve

Forma de onda.- Es la curva que representa en cada instante la evolución de la tensión (o la intensidad). Respuestas en los circuitos que veremos al estudiar el

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régimen transitorio de los circuitos eléctricos. Como ejemplo de este tipo de señales son: la señal pulso, el escalón, la rampa, etc.

1.6 FRECUENCIA PERIODO Y AMPLITUD

La frecuencia es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico. La frecuencia tiene una relación inversa con el concepto de longitud de onda a mayor frecuencia menor longitud de onda y viceversa

PERIODO

Periodo es el tiempo que se tarda en completar una oscilación completa y se mide en segundos, su función inversa seria la frecuencia, que sería el número de oscilaciones por unidad de tiempo y se mide en hertzios.

AMPLITUD

Amplitud de un movimiento oscilatorio, ondulatorio o señal electromagnética es una medida de la variación máxima del desplazamiento u otra magnitud física que varía periódica o casi periódicamente en el tiempo. Es la distancia máxima entre el punto más alejado de una onda y el punto de equilibrio o medio.

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1.6 VALOR PROMEDIO Y VALOR EFICAZ DE SEÑALES PERIÓDICAS.

¿Qué es una señal periódica?

Si la variación de una señal se repite de forma continua (independientemente de la forma de la repetición), a la onda se le llama onda periódica.

La forma de onda periódica que con más frecuencia se encuentra en los sistemas eléctricos es la senoide.

Valor promedio y valor cuadrático medio (RMS)

Los dos valores característicos empleados con más frecuencia en ondas variables con el tiempo son sus valores promedio y valor medio cuadrático (rms).

¿Para qué sirven éstos valores característicos de la onda?

Para comparar la efectividad de varias formas de onda con respecto a la de otras formas.

Para predecir los efectos que tendrá una forma de onda determinada sobre el circuito al que se aplica.

Valor promedio o medio

El valor medio es el promedio de todos los valores de la señal de un periodo.

Matemáticamente, el valor promedio de cualquier onda periódica se obtiene dividiendo el área bajo la curva de la onda en un periodo T, entre el tiempo de periodo. Esto se puede escribir como:

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Esta expresión se escribe en forma más general como:

Valor cuadrático medio (rms) o eficaz

El segundo valor característico de una onda variable en el tiempo es el valor rms.

Root Mean Square = Raíz cuadrada del promedio de los cuadrados

Al valor rms a veces se le llama el valor efectivo. Se emplea este nombre debido a que el valor rms es igual al valor de una onda de CD que entregaría la misma potencia si sustituyera a la onda variable en cuestión.

En matemáticas, el valor rms de una onda se escribe como:

Para una onda dada, f(t), el valor rms se encuentra empleando la expresión:

Siendo T la longitud de un periodo de la onda (en segundos).

Ejemplo:

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Valor eficaz

1.8 REGLAS DE SEGURIDAD EN LA MEDICION DE SEÑALES ELECTRICAS

Generalmente hay tres tipos de accidentes en un taller de electricidad:

• Choques eléctricos

• Quemaduras

• Lesiones mecánicas.

Reglas de seguridad para evitar choques eléctricos

• Asegúrese de las condiciones del equipo, siempre que se trabaje en equipo eléctrico este debe estar apagado y desconectado.

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• Los condensadores pueden almacenar emergía, aún después de estar desconectados pueden producir una descarga eléctrica.

• No introduzca destornilladores en salidas eléctricas de tomacorrientes.

• Siempre aísle con cinta o cubiertas aislantes cables o alambres, después de realizar un empalme y antes de conectar un equipo o circuito.

• Siempre utilice protección de cortocircuito y disponga de un medio de desconexión.

• No conecte equipos sin antes pedir autorización del instructor

Accidentes causados por quemaduras

• Las resistencias se calientan mucho, especialmente las que llevan altas corrientes. Debe esperar a que se enfríen, antes de intentar retirarlos de un chasis.

• Vigile el cautín o pistola de soldadura. No la coloque sobre el banco en donde pueda tocarla accidentalmente con el brazo. No la guarde nunca cuando aún este caliente; algún estudiante puede tomarla.

Lesiones mecánicas

• La selección inadecuada de una herramienta para el trabajo, puede producir daños al equipo y lesiones personales.

• Las esquinas y filos metálicos de los chasis y tableros pueden cortar y arañar. Límelos y quíteles el filo.

• No utilice sacos o camisas de mangas largas cerca de máquinas rotatorias.

Procedimiento para realizar una medición con el multímetro

• Asegúrese de que sabe lo que desea medir y cómo hacerlo antes de conectar los instrumentos y aplicar energía. Esto significa lea primeramente

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el manual de instrucciones, pídale al instructor que inspeccione su trabajo. Asegúrese que comprende la Lección.

• Compruebe una y otra vez la polaridad de las puntas de prueba conectadas a un circuito, antes de aplicarla energía. Evite daños a un medidor.

• Compruebe una y otra vez el rango del instrumento, antes de aplicar energía a un circuito.

• Seleccione los terminales de medida de acuerdo a la variable a medir: resistencia, pensión y corriente, Es decir las puntas de prueba deben de ir conectadas a unos terminales del multímetro dependiendo de la variable a medir.

Aparatos de mediciones eléctricas

Galvanómetro Amperímetro Voltímetro Óhmetro Multímetro Osciloscopio Analizador de espectro

Ejemplos de señalizaciones

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