Introducción a la metrología, normas y análisis básico de mediciones
Summary
TLDREl video ofrece una introducción a la metrología, la ciencia de la medición, destacando su importancia en la vida cotidiana y en la tecnología. Se explica que la medición es el proceso de obtener la magnitud física de un objeto o fenómeno en comparación con una unidad de referencia, utilizando instrumentos de medición. El BIPM, con sede en Francia, es responsable del Sistema Internacional de Unidades (SI), que define siete magnitudes físicas fundamentales y sus unidades de base, todas ellas definidas a partir de siete constantes universales desde mayo de 2019. Además de las unidades de base, se obtienen unidades derivadas a través de operaciones matemáticas. El SI utiliza prefijos para representar múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades. La trazabilidad es esencial en la metrología, asegurando la comparabilidad de mediciones a través de una cadena de calibraciones que referencian al SI. La ISO/IEC 17025 establece el proceso de calibración y trazabilidad. El video también explora conceptos como exactitud, precisión e incertidumbre, y cómo se aplican en la medición, utilizando herramientas de visualización como diagramas de caja y histogramas para analizar los datos. Se discute la importancia de la incertidumbre en la medición y cómo se calcula, así como el papel de las organizaciones de normatividad internacionales y nacionales en el establecimiento de estándares. Finalmente, se mencionan algunos datos interesantes sobre la historia de la estandarización y la ISO, dejando al espectador con una comprensión sólida de la metrología y su impacto en la sociedad.
Takeaways
- 📏 La metrología es la ciencia de la medición y sus aplicaciones, abarcando aspectos teóricos y prácticos.
- 🔍 Una medición es el proceso de obtener experimentalmente la magnitud física de un objeto o fenómeno de interés.
- 🌟 El BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) es la entidad responsable del Sistema Internacional de Unidades (SI), que define las 7 magnitudes físicas fundamentales y sus unidades de base.
- ⚖️ A partir de mayo de 2019, todas las unidades de base del SI se definen a partir de 7 constantes universales de la naturaleza.
- 🔗 Las unidades derivadas se obtienen a partir de las unidades de base a través de multiplicaciones y divisiones.
- 📈 El SI utiliza prefijos que representan múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades, lo que permite mediciones en diferentes escalas.
- 🔄 La trazabilidad es un concepto clave en metrología, que asegura la comparabilidad y confiabilidad de las mediciones a través de una cadena de calibraciones.
- 📊 La ISO/IEC 17025 es la norma que define el proceso de calibración y trazabilidad en laboratorios.
- 📋 La exactitud, precisión e incertidumbre son conceptos fundamentales en metrología, definidos en documentos y normas internacionales.
- 📉 La incertidumbre en la medición indica el rango de duda sobre la validez de la medición, y se cuantifica a través de la desviación estándar.
- 🔧 La calibración es el proceso de comparar la lectura de un instrumento de medición con una referencia o patrón para cuantificar y ajustar la desviación.
Q & A
¿Qué es la metrología y qué áreas abarca?
-La metrología es la ciencia de la medición y sus aplicaciones, abarcando tanto aspectos teóricos como prácticos de las mediciones.
¿Qué es una medición y qué elementos componen el proceso de medición?
-Una medición es el proceso de obtener experimentalmente la magnitud física de un objeto o fenómeno de interés, comparándolo con una unidad de referencia, y el dispositivo que se utiliza para realizar esta comparación se llama instrumento de medición.
¿Qué organismo internacional es responsable de establecer las unidades de medida y qué sistema define?
-El Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) es el organismo responsable de establecer el Sistema Internacional de Unidades (SI), que define las siete magnitudes físicas fundamentales y sus unidades de base correspondientes.
¿Cómo se definen las unidades de base en el SI desde mayo de 2019?
-Desde mayo de 2019, todas las unidades de base del SI se definen a partir de siete constantes universales de la naturaleza que nunca cambian.
¿Qué es una unidad derivada y cómo se obtiene?
-Una unidad derivada es aquella que se obtiene a partir de las unidades de base mediante multiplicaciones y divisiones. Algunas unidades derivadas tienen un nombre específico, como el coulomb para la carga eléctrica, mientras que otras, como el metro cuadrado para la unidad de área, no lo tienen.
¿Qué son los prefijos del SI y para qué sirven?
-Los prefijos del SI representan múltiplos y submúltiplos decimales de las diferentes unidades. Sirven para facilitar la medición y expresión de magnitudes en diferentes escalas, como nanosegundos, microgramos o kilómetros.
¿Qué es la trazabilidad y cómo se asegura en el ámbito de la medición?
-La trazabilidad es el concepto que permite verificar que una medición está referenciada a través de una cadena de comparaciones o calibraciones a un patrón o estándar. Se asegura a través del proceso de calibración de instrumentos de medición en laboratorios certificados y la utilización de referencias confiables.
¿Qué es la norma ISO/IEC 17025 y qué establece?
-La norma ISO/IEC 17025 establece los requisitos generales para la competencia de laboratorios de prueba y calibración. Define el proceso de calibración y trazabilidad que debe seguir la comunidad metrológica internacional.
¿Qué son la exactitud, la precisión e incertidumbre en el contexto de la medición?
-La exactitud se refiere a la cercanía de un valor medido a su verdadero valor. La precisión es la repetibilidad de mediciones bajo condiciones idénticas. La incertidumbre es un rango que indica la duda sobre la validez de la medición, donde una menor dispersión representa una mayor confianza en el resultado.
¿Cómo se utiliza el diagrama de caja y el histograma para visualizar los datos de medición?
-El diagrama de caja permite ver la mediana, los valores máximos y mínimos, el rango intercuartil y los valores atípicos (outliers). El histograma muestra la distribución de los datos y permite identificar la moda y si es posible aproximar una función de densidad de probabilidad, como la distribución normal.
¿En qué tres aplicaciones se pueden utilizar las mediciones y para qué sirven?
-Las mediciones se pueden utilizar para monitorear un proceso, proporcionando un indicador de la lectura en ese momento; para realizar análisis de datos de un experimento; y para controlar un proceso, donde la medición proporciona retroalimentación para ajustar las entradas del proceso.
Outlines
📏 Introducción a la Metrólogía
El primer párrafo introduce la importancia de las mediciones en nuestra vida diaria y cómo la metrólogía, la ciencia de la medición, es crucial para la precisión y confiabilidad de dichas mediciones. Se menciona que el Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) es responsable del Sistema Internacional de Unidades (SI), que define siete magnitudes físicas fundamentales y sus unidades de base. Además, se destaca que desde mayo de 2019, todas las unidades de base se definen a partir de siete constantes universales de la naturaleza. Finalmente, se aborda el concepto de trazabilidad y la importancia de la calibración para asegurar la precisión de los instrumentos de medición.
📈 Estándares y Calibración
El segundo párrafo profundiza en el proceso de calibración y trazabilidad, que está estandarizado por la norma ISO/IEC 17025. Se habla de la Organización Internacional de Normalización (ISO) y la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), y cómo estas organizaciones definen conceptos clave en metrólogía como exactitud, precisión e incertidumbre. Se utiliza un ejemplo práctico para ilustrar cómo se obtienen y analizan los datos de medición, incluyendo la identificación de outliers y la utilización de herramientas de visualización como el diagrama de caja y el histograma. Además, se discute cómo se expresa la incertidumbre en los resultados de medición y cómo se calcula el error en la medición, compuesto por errores aleatorios y sistemáticos.
🔍 Aplicaciones y Consideraciones en la Medición
El tercer párrafo explora las aplicaciones de las mediciones, incluyendo el monitoreo de procesos, el análisis de datos de experimentos y el control de procesos. Se destaca la importancia de la estabilidad del instrumento de medición y cómo la incertidumbre asociada a un patrón o referencia debe ser menor que la del instrumento a calibrar. Se menciona la Guía para la expresión de la incertidumbre en la Medición y los dos tipos de incertidumbre: tipo A y tipo B. Además, se aborda la propagación de la incertidumbre en mediciones indirectas. Finalmente, se mencionan organizaciones nacionales y internacionales relacionadas con la normatividad, como ANSI, DIN, DGN, IEEE y NEMA, y se comparten algunos datos interesantes sobre la historia de la estandarización y la ISO.
Mindmap
Keywords
💡Metrología
💡BIPM
💡Sistema Internacional de Unidades (SI)
💡Unidades de base y derivadas
💡Trazabilidad
💡Calibración
💡Incertidumbre
💡Exactitud
💡ISO/IEC 17025
💡Vocabulario Internacional de Metrología
💡Propagación de la incertidumbre
Highlights
Las mediciones están presentes en nuestra vida cotidiana, desde la compra de productos en el supermercado hasta la preparación de recetas.
La metrología es la ciencia de la medición y sus aplicaciones, abarcando aspectos teóricos y prácticos.
La medición es el proceso de obtener la magnitud física de un objeto o fenómeno de interés.
El BIPM es la oficina internacional de pesos y medidas, establecida en 1875 y con sede en París.
El Sistema Internacional de Unidades (SI) define 7 magnitudes físicas fundamentales y sus unidades de base.
Desde mayo de 2019, todas las unidades de base se definen a partir de 7 constantes universales de la naturaleza.
Las unidades derivadas se obtienen a partir de las unidades de base mediante multiplicaciones y divisiones.
El sistema internacional de unidades utiliza prefijos para representar múltiplos y submúltiplos decimales.
La trazabilidad asegura que las mediciones son adecuadas comparándolas con patrones de medición confiables.
La calibración es el proceso de cuantificar la desviación de un instrumento con respecto a su referencia.
El BIPM garantiza que los procedimientos y referencias de los organismos nacionales sean adecuados y confiables.
La norma ISO/IEC 17025 define el proceso de calibración y trazabilidad.
La exactitud, precisión e incertidumbre son conceptos fundamentales en metrología y estándarización.
El diagrama de caja y el histograma son herramientas de visualización útiles para analizar los datos de medición.
La incertidumbre es un rango que indica la duda sobre la validez de la medición y se cuantifica a partir de la desviación estándar.
El error en la medición se compone del error aleatorio y el error sistemático.
La Guía para la expresión de la incertidumbre en la Medición establece dos tipos de incertidumbre: A y B.
Las mediciones pueden utilizarse para monitorear, analizar y controlar procesos.
Existen diversas organizaciones nacionales e internacionales relacionadas con la normatividad como ANSI, DIN, DGN, IEEE y NEMA.
La búsqueda de estandarización es un punto importante desde la Revolución francesa y el sistema métrico decimal.
Ginebra, sede de la ISO y la IEC, es parte de la región francófona conocida como Romandía en Suiza.
El científico alemán Max Planck propuso constantes universales que definen al nuevo sistema internacional.
Transcripts
Pocas cosas están tan presentes en nuestra vida cotidiana como las mediciones. Las tomamos
en cuenta cuando compramos productos en el supermercado. Las realizamos al preparar nuestra
receta favorita en cuanto a la cantidad de cada ingrediente y el tiempo que toma cada
paso. Aunque la mayoría de las veces, hacemos uso de ellas, pues gran parte de la tecnología
a nuestro alrededor realiza una infinidad de mediciones para facilitar nuestras actividades.
¡Hola! Mi nombre es Israel y hoy hablaremos de metrología.
Metrología significa ciencia de la medición y sus aplicaciones, es decir que es un área
del conocimiento que se enfoca en el estudio de los aspectos teóricos y prácticos de
las mediciones. De esta definición surge una pregunta sumamente importante: ¿qué
es una medición? Medición es el proceso de obtener experimentalmente
la magnitud física de un objeto o fenómeno de interés, que en este caso llamaremos mesurando,
al compararlo con una unidad de referencia… y el dispositivo que utilizamos para realizar
esta comparación se llama instrumento de medición.
Ahora es necesario saber cuáles son estas magnitudes físicas y cuáles son sus unidades
de referencia. Para ello tenemos que hablar del BIPM, el Bureau International des Poids
et Mesures o, en español, la oficina internacional de pesos y medidas, un organismo que surge
en 1875 a partir de la Convención del metro y cuya sede está a las afueras de París.
El BIPM está cargo de algo que seguramente todos ustedes conocen: el sistema internacional
de unidades, el famoso SI, que es justamente en donde se definen las 7 magnitudes físicas
fundamentales y sus unidades de base correspondientes. En él encontramos a la masa cuya unidad de
base es el kilogramo, la longitud con el metro, el tiempo con el segundo, la corriente eléctrica
con el ampere, la temperatura termodinámica con el kelvin, la cantidad de sustancia con
el mol y finalmente la intensidad luminosa con la candela.
Como dato importante, a partir de mayo del 2019 todas las unidades de base se definen
a partir de 7 constantes universales, es decir que están presentes en la naturaleza y que
nunca cambian. Antes de esto, algunas de las unidades fundamentales se definían a partir
de lo que se conoce como patrón. Por ejemplo, para el kilogramo el BIPM usaba un cilindro
de aleación platino-iridio, y con él definía lo que era el prototipo internacional del
kilogramo, el IPK. Ahora bien, si combinamos estas unidades de
base a partir de multiplicaciones y divisiones podemos obtener lo que se conoce como unidades
derivadas. Algunas de estas pueden tener un nombre específico como el caso de la carga
eléctrica que tiene como unidad el coulomb y resulta del ampere segundo. Por otro lado,
la unidad de área no tiene un nombre especifico y es únicamente metro cuadrado.
Otro aspecto clave, que definitivamente no hay que olvidar, es que el sistema internacional
de unidades hace uso de prefijos que representan múltiplos y submúltiplos decimales de las
diferentes unidades. Por ejemplo, puedo medir el tiempo de activación de un transistor
en nanosegundos, el peso de un insecto en microgramos o la distancia de mi casa a la
universidad en kilómetros. Además de representar a la comunidad metrológica
internacional, el BIPM también se asegura de lo que se conoce como trazabilidad, concepto
que se puede ver de la siguiente manera: si yo tengo un instrumento de medición y quiero
asegurarme de que su lectura es adecuada lo puedo llevar algún laboratorio que lo certifique.
Para ello, ahí van a comparar la lectura de mi instrumento con la de algunos patrones
de medición o referencias confiables. El proceso de cuantificación de la desviación
de mi instrumento respecto a su referencia se conoce como calibración. Una vez conocido
este valor, si está fuera de algún rango de tolerancia especificado, se puede realizar
el ajuste del instrumento. A su vez, las referencias y procedimientos de estos laboratorios son
calibrados y acreditados por organizaciones de cada país, quienes manejan el estándar
nacional o primario, por ejemplo, el Centro Nacional de Meteorología en México, el National
Institute of Standards and Technology en los Estados Unidos o el Physikalisch Technische
Bundesanstalt en Alemania. Finalmente, el BIPM también se asegura de que los procedimientos
y referencias de estos organismos nacionales sean adecuados y confiables, con lo cual provee
un estándar internacional. En resumen, esto significa que se puede validar que toda medición
está referenciada, a partir de una cadena de comparaciones, o calibraciones, a un patrón
o estándar en donde el de mayor jerarquía es justamente el Sistema Internacional del
BIPM. Como resultado, es posible tener confianza de que un metro es igual aquí y en China,
un aspecto que permite comercio justo e incluso cooperación en proyectos, pues se tendrá
una especie de lenguaje universal, o, en otras palabras, un estándar invariante en el tiempo
y espacio. Hablando de estándares, resulta que este
proceso de calibración y trazabilidad está definido por la norma ISO/IEC 17025. Seguramente
han escuchado ISO antes por la famosa certificación ISO9001, que se refiere a los sistemas de
gestión de calidad, y que también requieren de este proceso. La ISO es la Organización
Internacional de Normalización mientras que la IEC es la Comisión electrotécnica internacional,
y ambas tienen su sede en Ginebra, Suiza. Además de estos conceptos, existen otros
que son fundamentales al hablar de metrología y estándares, como es el caso de la exactitud,
precisión e incertidumbre, que también se encuentran definidos de forma oficial en diferentes
documentos y normas. Entre los más importantes están el Vocabulario Internacional de Metrología
y la Guía para la expresión de la incertidumbre en la medición, ambos documentos redactados
por el Comité Conjunto de Guías en Metrología y en los que se basa la guía 99 de la ISO
y de la IEC. A su vez, las normas ISO 3534, ISO 5725 o la IEC 60050 profundizan en estos
conceptos Ahora los veremos aplicados en un breve ejemplo:
Imaginemos que quiero obtener la masa de un objeto y para ello utilizo un instrumento
de medición que me indica el valor en kilogramos con una resolución de gramos. Empiezo a tomar
lecturas de ese objeto con mi instrumento y observo los siguientes valores marcados
en azul, mientras que también obtengo la media, o promedio acumulado, que pueden ver
en naranja. El primer aspecto que se puede notar es que los valores observados tienen
variabilidad, es decir que el instrumento no presenta siempre la misma lectura, pero
al aumentar el número de muestras este promedio se estabiliza, concepto que en probabilidad
se establece en la Ley de los Grandes Números. Aun cuando ya me es posible inferir algunas
características de mis datos, resulta sumamente útil hacer uso de herramientas de visualización
que hagan más claros otros parámetros de interés, y la primera de la que hablaremos
es el diagrama de caja. Este diagrama nos permite ver la mediana, valores máximos y
mínimos, la concentración de los datos en términos del rango intercuartil y los valores
atípicos, comúnmente llamados por su nombre en inglés: outliers. Es importante identificar
las causas de los outliers, pues si son atribuibles a una falla en la toma de la lectura o se
trata de casos extremos fuera de la tendencia de los datos, se pueden descartar.
La segunda visualización es el histograma. En él podemos observar los datos, o intervalos
de datos, que más frecuentemente se presentan, aspecto que se relaciona con la moda, aunque
estas frecuencias de aparición también nos permiten determinar si podemos aproximar una
función de densidad de probabilidad. En el caso de que esta función siga la distribución
normal o gaussiana como en la imagen, nuevamente podemos obtener la media, pero también una
medida de dispersión sumamente útil: la desviación estándar. Como paréntesis, la
media, la moda y la mediana se conocen como medidas de tendencia central.
En este momento ya es posible hablar de un resultado de la medición en donde la cantidad
medida será la media y la incertidumbre estará expresada a partir de la desviación estándar.
La incertidumbre es un rango que indica la duda sobre la validez de la medición, en
donde una menor dispersión representa una mayor confianza en el resultado, mayor calidad
de la medición, mayor consistencia de los datos y una mayor precisión. Un aspecto de
gran relevancia es que se puede usar un factor de cobertura que nos indica cuántas desviaciones
estándar usamos para cuantificar el rango de la incertidumbre. Por ejemplo, un factor
k=1 implica que el 68% de mis mediciones están dentro del rango, mientras que k=2 implica
que el 95% de mis mediciones se encuentran en ese rango.
Ahora imaginemos que ese objeto que estoy midiendo es un patrón de 1kg y lo utilizo
para la calibración de mi instrumento. Con esto puedo obtener el error en la medición
que es la diferencia entre mi lectura y la referencia, cuestión que se relaciona con
la exactitud. Este error está compuesto por el error aleatorio y el error sistemático.
El aleatorio es impredecible y, tal y como la incertidumbre y la precisión, se cuantifican
con la desviación estándar. En cambio, el error sistemático sí es predecible y se
puede ver con la media de la distribución obtenida con el conjunto de mediciones. En
este caso se ve con un sesgo o desviación de -6.7g.
Si ajustamos o corregimos este valor en el instrumento, ahora la media de las lecturas
dará el valor de 1kg, cuestión que con las muestras actuales ocurre con una probabilidad
sumamente baja al grado de ser considerado un valor atípico.
No hay que olvidar que incluso un patrón o referencia tiene una incertidumbre asociada
que debe ser mucho más pequeña que la del instrumento que se va a calibrar. Esta incertidumbre
también se puede ver afectada por diversos factores que pueden ser ambientales, como
en el caso de la temperatura, o de otro tipo como el tiempo mismo, cuestión conocida como
deriva, por lo que siempre es importante buscar un instrumento con alto grado de estabilidad.
Hablando de incertidumbres, la Guía para la expresión de la incertidumbre en la Medición
establece que, para las medidas obtenidas directamente a partir del uso del instrumento
de medición, existen dos tipos de incertidumbre. La primera es la tipo A y se obtiene a partir
de la desviación estándar de una serie de muestras, tal y como en el ejemplo anterior.
En caso de que no sea posible realizar esa serie de mediciones, es posible utilizar la
tipo B que puede basarse en características o conocimientos que tengamos del instrumento
y que se pueden encontrar en su hoja de datos, especificaciones o certificado de calibración.
Una situación especial es cuando realizo la serie de lecturas y estas presentan una
dispersión menor a la considerada por las características de mi instrumento. A pesar
de esto, no puedo decir yo que la incertidumbre sea cero o tan pequeña, por lo que utilizaré
la incertidumbre tipo B. En ocasiones, dependiendo del instrumento, el valor de incertidumbre
puede ser la mitad de la mínima escala o resolución de este.
Cuando la medición es indirecta, es decir que se obtiene al aplicar operaciones matemáticas
una o varias mediciones directas, es necesario realizar la propagación de la incertidumbre.
Ahora bien, ya que tengo mis mediciones, es posible hacer uso de ellas para 3 aplicaciones:
Para monitorear un proceso en donde sólo me interesa tener un indicador para ver la
lectura en ese momento. Para realizar análisis de los datos que obtuve
y registré de un experimento. Y finalmente para controlar un proceso en
donde la medición me permitirá tener una retroalimentación para ajustar las entradas
de ese proceso y que se comporte como lo requiera. Es importante comentar que además de las
organizaciones que ya mencionamos existen otras nacionales e internacionales que también
están relacionadas con normatividad. De forma particular, entre las organizaciones de normatividad
nacional están ANSI en Estados Unidos, DIN en Alemania, y que quizás conocerán por
el riel de montaje, y finalmente la DGN en México, todas estas afiliadas a la ISO. Otras
sumamente conocidas son el IEEE al que le debemos la definición del WiFi en el protocolo
802.11 o la NEMA conocida, entre otras cosas, por las especificaciones de tamaño de motores
a paso.
Para terminar, me gustaría comentar algunos datos que podrían resultar interesantes.
El primero es que la búsqueda de estandarización tiene como punto importante la Revolución
francesa, cuando se implementó el sistema métrico decimal propuesto años antes por
científicos como Lavoisier. El segundo es que al igual que la ISO y la
IEC, muchas otras organizaciones internacionales se encuentran en Ginebra, ciudad y cantón
suizo parte de la región francófona conocida como Romandía.
El tercero es que los idiomas oficiales de la ISO son inglés, francés y ruso, pero
sus siglas no corresponden a ninguno de estos idiomas, pues ISO proviene del prefijo griego
“isos” que significa igual, algo sumamente acorde a su función.
El cuarto es que el científico alemán Max Planck propuso algunas de las constantes universales
hace más de 100 años y que hoy definen al nuevo sistema internacional.
Finalmente les dejo un par de preguntas que están relacionadas con datos curiosos.
Espero que este video les haya gustado y nos vemos en el siguiente.
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