MEDICIONES Y SISTEMAS DE MEDICIÓN 1.1 MEDICIONES La medición de una cantidad determinada es esencialmente un acto o el resultado de la comparación entre dicha cantidad (cuya magnitud es desconocida) y un estándar predefinido. Dado que se comparan dos cantidades, el resultado se expresa en valores numéricos. En efecto, la medición es el proceso mediante el cual se pueden convertir parámetros físicos en números significativos. El proceso de medición consiste en comparar la propiedad de un objeto o sistema en consideración con una unidad estándar aceptada, una unidad estándar definida para esa propiedad en particular. La cantidad de veces que el estándar se ajusta a la cantidad que se mide es la medida numérica. La medida numérica carece de sentido a menos que se le añada una unidad, ya que esta unidad identifica la característica o propiedad medida. A medida que la ciencia y la tecnología avanzan, se descubren nuevos fenómenos y relaciones, y estos avances hacen que nuevos tipos de mediciones sean imprescindibles. Los nuevos descubrimientos no tienen ninguna utilidad práctica a menos que sus resultados estén respaldados por mediciones reales. Las mediciones, sin duda, confirman la validez de una hipótesis, pero también aumentan su comprensión. Esto da lugar a una cadena interminable que conduce a nuevos descubrimientos que requieren técnicas de medición más avanzadas y sofisticadas. Por lo tanto, la ciencia y la tecnología modernas están asociadas con métodos de medición sofisticados. Existen dos funciones principales en todas las ramas de la ingeniería: (i) Diseño de equipos y procesos, y (ii) Operación y mantenimiento adecuados de los equipos y procesos. Para que los resultados de la medición sean significativos, se requieren dos condiciones básicas: (1) El estándar utilizado para fines de comparación debe estar definido con precisión y ser comúnmente aceptado, y (2) El equipo utilizado y el método adoptado deben ser verificables. SIGNIFICADO DE LAS MEDICIONES La importancia de la medición se expresa de manera simple y elocuente en la siguiente declaración del famoso físico Lord Kelvin: "A menudo digo que cuando puedes medir aquello de lo que hablas y puedes expresarlo en números, sabes algo sobre ello; cuando no puedes expresarlo en números, tu conocimiento es de un tipo pobre e insatisfactorio." El avance de la ciencia y la tecnología depende de un progreso paralelo en las técnicas de medición, y las razones para esto son evidentes. Ambas funciones requieren mediciones, ya que un diseño, operación y mantenimiento adecuados y económicos requieren una retroalimentación de información. Las mediciones desempeñan un papel importante en el logro de los objetivos de la ingeniería debido a la información de retroalimentación que proporcionan. MÉTODOS DE MEDICIÓN Los métodos de medición pueden clasificarse ampliamente en dos categorías: (1) Métodos Directos y (2) Métodos Indirectos. 1.3.1 Métodos Directos En estos métodos, la cantidad desconocida (también llamada el "medido") se compara directamente con el estándar. El resultado se expresa como un número y una unidad. El estándar, de hecho, es una representación física de una unidad. Los métodos directos son bastante comunes para la medición de cantidades físicas como longitud, masa y tiempo. Supongamos que queremos medir la longitud de una barra. La unidad de longitud es el metro. Una barra tiene una longitud que equivale a una cierta cantidad de veces esta unidad estándar, ya que esas unidades estándar tienen la misma longitud que la barra. Un ser humano puede hacer comparaciones directas de longitud con una precisión de aproximadamente 0.25 mm. Por lo tanto, debido a factores humanos, no es posible realizar mediciones muy precisas. El método directo para medir la longitud puede utilizarse con un buen grado de precisión, pero cuando se trata de la medición de la masa, el problema se vuelve mucho más complejo. Simplemente no es posible para los seres humanos distinguir entre márgenes amplios de masa. Los instrumentos más antiguos, que siguen en uso hoy en día, utilizan los mismos tres elementos esenciales que nuestros instrumentos modernos: (1) un detector, (2) un dispositivo de transferencia intermedio, y (3) un indicador, registrador o dispositivo de almacenamiento. 1.3.2 Métodos Indirectos La medición mediante métodos directos no siempre es posible, factible o práctica. En la mayoría de los casos, estos métodos son inexactos debido a que implican factores humanos. Además, son menos sensibles. Por lo tanto, los métodos directos no son preferidos y se utilizan raramente. En aplicaciones de ingeniería, se emplean sistemas de medición que requieren métodos indirectos para llevar a cabo las mediciones. INSTRUMENTOS Y SISTEMAS DE MEDICIÓN Las mediciones implican el uso de instrumentos como medio físico para determinar cantidades o variables. El instrumento actúa como una extensión de las facultades humanas y permite al ser humano determinar el valor de una cantidad o variable desconocida que no podría medir solo con sus facultades. Un instrumento de medición existe para proporcionar información sobre el valor físico de algunas variables que se están midiendo. En casos simples, un instrumento consiste en una sola unidad que proporciona una lectura de salida o señal según la variable desconocida (medido) que se le aplica. En situaciones de medición más complejas, un instrumento de medición puede consistir en varios elementos separados. Estos elementos pueden incluir elementos de transducción que convierten el medido en una señal analógica, un dispositivo de transferencia intermedio y un dispositivo de indicación, registro o almacenamiento. La historia del desarrollo de los instrumentos abarca tres fases, a saber: (1) instrumentos mecánicos, (2) instrumentos eléctricos, y (3) instrumentos electrónicos. 1.5.1 Instrumentos Mecánicos Estos instrumentos son muy confiables para condiciones estáticas y estables, pero tienen una gran desventaja, ya que no pueden responder rápidamente a mediciones de condiciones dinámicas y transitorias. Esto se debe a que estos instrumentos tienen partes móviles que son rígidas, pesadas y voluminosas, lo que les da una gran masa. La masa presenta problemas de inercia, por lo que estos instrumentos no pueden seguir fielmente los cambios rápidos que implican las mediciones dinámicas. Por ejemplo, sería prácticamente imposible medir un voltaje de 50 Hz utilizando un instrumento mecánico, pero es relativamente fácil medir una presión que varía lentamente con estos instrumentos. Otra desventaja de los instrumentos mecánicos es que la mayoría de ellos son una fuente potencial de ruido y causan contaminación acústica. 1.5.2 Instrumentos Eléctricos Los métodos eléctricos de indicación de la salida de los detectores son más rápidos que los métodos mecánicos. Sin embargo, un sistema eléctrico normalmente depende de un movimiento mecánico del medidor como dispositivo indicador. Este movimiento mecánico tiene cierta inercia, por lo que estos instrumentos tienen una respuesta limitada en tiempo (y, por ende, en frecuencia). Por ejemplo, algunos registradores eléctricos pueden ofrecer una respuesta a escala completa en 0.25 segundos, pero la mayoría de los registradores industriales tienen respuestas de 0.5 a 24 segundos. Algunos galvanómetros pueden seguir variaciones de 50 Hz, aunque incluso estos son demasiado lentos para los requisitos actuales de medición rápida. Por la naturaleza modular de los elementos en su interior, es común referirse al instrumento de medición como un sistema de medición. Los componentes mencionados anteriormente pueden estar contenidos en una o más cajas, y las cajas que albergan elementos de medición individuales pueden estar físicamente juntas o separadas. 1.5.3 Instrumentos Electrónicos Hoy en día, la mayoría de las mediciones científicas e industriales requieren respuestas muy rápidas. Los instrumentos y sistemas mecánicos y eléctricos no pueden cumplir con estos requisitos. La necesidad de aumentar el tiempo de respuesta y también de detectar cambios dinámicos en ciertos parámetros, que requieren tiempos de monitoreo en el orden de milisegundos, y en muchas ocasiones incluso microsegundos, ha llevado al diseño de los instrumentos electrónicos actuales y su circuitería asociada. Estos instrumentos requieren el uso de dispositivos semiconductores. Como en los dispositivos electrónicos el único movimiento involucrado es el de los electrones, el tiempo de respuesta es extremadamente corto debido a la baja inercia de los electrones. Por ejemplo, un osciloscopio de rayos catódicos (CRO) es capaz de seguir cambios dinámicos y transitorios en el orden de unos pocos nanosegundos (10⁻⁹ s). Las fuentes de alimentación controladas electrónicamente se utilizan para proporcionar voltajes estables en estudios en el campo de las reacciones químicas y la instrumentación nuclear. Los instrumentos electrónicos se están volviendo cada vez más confiables debido a las mejoras en el diseño y los procesos de fabricación de los dispositivos semiconductores. Otra ventaja del uso de dispositivos electrónicos es que señales muy débiles pueden detectarse utilizando preamplificadores y amplificadores. La importancia principal de los instrumentos electrónicos radica en la amplificación de potencia proporcionada por los amplificadores electrónicos, lo que resulta en una mayor sensibilidad. Esto es particularmente importante en el área de la bioinstrumentación, ya que los potenciales bioeléctricos son muy débiles, es decir, inferiores a 1 mV. Por lo tanto, estas señales son demasiado pequeñas para operar dispositivos electromecánicos como los registradores y deben ser amplificadas. Se puede suministrar potencia adicional al sistema para proporcionar una salida de potencia mayor que la de entrada. Esto solo ha sido posible mediante el uso de amplificadores electrónicos, que no tienen equivalente mecánico importante. Esto es especialmente relevante cuando los dispositivos de presentación de datos utilizan registradores de tipo estilete, galvanómetros, osciloscopios de rayos catódicos y grabadores de cinta magnética. Es un hecho que los sistemas hidráulicos y neumáticos pueden utilizarse para la amplificación de potencia de señales. Sin embargo, su uso se limita a aplicaciones de control de respuesta lenta, como sistemas servo, procesos químicos y sistemas de potencia. Otra ventaja de los instrumentos electrónicos es la capacidad de obtener indicaciones en una ubicación remota, lo cual ayuda en el monitoreo de ubicaciones inaccesibles o peligrosas. El uso más importante de los instrumentos electrónicos es en la medición de cantidades no eléctricas, donde la cantidad no eléctrica se convierte en una forma eléctrica mediante el uso de transductores. Los instrumentos electrónicos encuentran un uso extenso en la detección de señales producidas electromagnéticamente, como radio, video y microondas. Los instrumentos eléctricos y electrónicos son particularmente útiles en la etapa intermedia de modificación de señales. Los instrumentos electrónicos son ligeros, compactos, tienen un alto grado de confiabilidad y su consumo de energía es muy bajo. Las comunicaciones son un campo que depende completamente de los instrumentos electrónicos y el equipo asociado. Las comunicaciones espaciales, en particular, utilizan transmisores y receptores aéreos y la interpretación de las señales se deja completamente en manos de los instrumentos electrónicos. Los instrumentos electrónicos hacen posible la construcción de computadoras analógicas y digitales sin las cuales los desarrollos modernos en ciencia y tecnología serían prácticamente imposibles. Las computadoras requieren una respuesta de tiempo muy rápida y esto solo es posible con el uso de instrumentos electrónicos. En resumen, se puede afirmar que, en general, los instrumentos electrónicos tienen: (i) una mayor sensibilidad, (ii) una mayor flexibilidad, (iii) una respuesta más rápida, (iv) menor peso, (v) menor consumo de energía, y (vi) un mayor grado de confiabilidad en comparación con sus contrapartes mecánicas o puramente eléctricas. 1.6 CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS Existen muchas formas de clasificar los instrumentos. En términos generales, los instrumentos se clasifican en dos categorías: 1. Instrumentos Absolutos Estos instrumentos proporcionan la magnitud de la cantidad bajo medición en términos de constantes físicas del instrumento. Ejemplos de esta clase de instrumentos son el galvanómetro de tangente y la balanza de corriente de Rayleigh. 2. Instrumentos Secundarios Estos instrumentos están diseñados de tal manera que la cantidad que se mide solo puede determinarse observando la salida indicada por el instrumento. Estos instrumentos se calibran mediante la comparación con un instrumento absoluto u otro instrumento secundario que ya haya sido calibrado contra un instrumento absoluto. Trabajar con instrumentos absolutos para tareas de rutina es un proceso que consume mucho tiempo, ya que cada vez que se realiza una medición, se requiere tiempo para calcular la magnitud de la cantidad medida. Por lo tanto, los instrumentos secundarios son los más comúnmente utilizados. Los instrumentos absolutos rara vez se utilizan, excepto en instituciones de estándares, mientras que los instrumentos secundarios se emplean en casi todas las áreas de medición. Un voltímetro, un termómetro de vidrio y un manómetro son ejemplos típicos de instrumentos secundarios.
