Cómo determinar la incertidumbre de medida de los manómetros

Todos los instrumentos de medición tienen cierto grado de imprecisión. Tras medir dos lápices con una regla, puede determinar que tienen la misma longitud; sin embargo, esta conclusión se basa en la escala más pequeña que la regla es capaz de medir. Los lápices pueden tener la misma longitud si los medimos en centímetros o milímetros, pero ¿diríamos lo mismo si los midiéramos en micrómetros o nanómetros?

Todos los instrumentos tienen un límite a la hora de capturar la medida real del mensurando, es decir, el objeto que el instrumento está midiendo. Siempre habrá un rango de valores dentro del cual se sitúa la medida del mensurando. Este fenómeno recibe el nombre de "incertidumbre de medida". Al igual que cualquier otro dispositivo de medición, los manómetros son susceptibles a la incertidumbre de medida y es importante saber cómo afectan las diferentes variables a la incertidumbre de un dispositivo.

En este artículo, repasaremos las consideraciones generales para la incertidumbre de medida en relación con la presión y los tipos de incertidumbre, y explicaremos brevemente cómo se calcula esa incertidumbre.

Consideraciones generales para la incertidumbre de medida de la presión

Existen dos tipos principales de incertidumbre: incertidumbre de tipo A y de tipo B. Abordaremos cada uno de ellos con más detalle más adelante en este artículo, pero de forma resumida, la incertidumbre de tipo A se basa en el análisis estadístico y la incertidumbre de tipo B no. Y juntas, conforman la incertidumbre de medida general.

Sin embargo, esta clasificación (tipo A y tipo B) es muy amplia. En lo que respecta a los manómetros, algunas de las posibles fuentes de incertidumbre de medida más específicas incluyen:

• Tipo de dispositivo de medición
• Modo de funcionamiento del dispositivo de medición
• Medios de los líquidos
• Entorno
• Orientación del dispositivo
• Incertidumbre de referencia
• Frecuencia de calibración
• Tiempo de permanencia en el punto de ajuste
• Puesta a cero 

Veamos cada uno de ellos con más detalle.

Tipo de dispositivo de medición

Esta es la consideración más sencilla para la incertidumbre del manómetro. ¿Qué tipo de dispositivo está utilizando? Cada manómetro funciona de forma diferente, tiene diferentes procesos de calibración y puede reaccionar de manera distinta dependiendo del resto de consideraciones que hemos mencionado, como el fluido, el modo de funcionamiento y el entorno en el que se utiliza. Los manómetros también tienen diferentes niveles de precisión y resolución. Multitud de marcas y modelos de manómetros se suministran con una lista de incertidumbres y detalles sobre cómo las diferentes situaciones y consideraciones afectarán a la medición final.

Modo de funcionamiento del dispositivo de medición

El modo de funcionamiento exacto del dispositivo de medición de presión influirá, hasta cierto punto, en la incertidumbre de medida. El modo de presión absoluta y el de presión manométrica son algunos de los modos de funcionamiento que se suelen incluir. El modo de funcionamiento no suele tener un impacto tan importante en la incertidumbre como otras variables, pero sigue siendo un factor que deberá tener en cuenta.

Fluido

El fluido del manómetro que permite medir la presión también puede influir en la incertidumbre, ya que el tipo y la densidad del fluido pueden variar. Muchos manómetros utilizan glicerina líquida o aceites de silicona, mientras que otros utilizan un gas, ya sea aire o nitrógeno. Las diferencias más importantes entre estos fluidos se suelen tener en cuenta en la medición, pero las diferencias más pequeñas en la densidad entre las mediciones pueden dar lugar a incertidumbre.

Entorno

El entorno en el que realiza la medición es uno de los aspectos más importantes que debe tener en cuenta a la hora de determinar la validez de los resultados. De hecho, el entorno es uno de los factores que más influyen en la validez de los resultados. Los factores ambientales no solo afectan a la presión de lo que esté midiendo, sino también al dispositivo de medición en sí que esté utilizando.

Sería el caso de las fluctuaciones de temperatura, que pueden provocar pequeñas alteraciones en las propiedades físicas del manómetro y tener un gran impacto; por ejemplo, pueden modificar la manera en que se comporta el fluido dentro del manómetro y, por lo tanto, alterar las lecturas. La temperatura también puede afectar sutilmente a los diferentes componentes de un manómetro, como el cilindro y el pistón, ya sea mediante la expansión o la contracción térmicas, lo que provoca incertidumbre de medida. Además, los efectos adiabáticos que provocan variaciones en la temperatura del fluido de un sistema pueden alterar las lecturas del manómetro, especialmente en sistemas que funcionan con gas o que experimentan cambios rápidos de presión. 

Los manómetros más avanzados suelen incluir una función para compensar en parte la temperatura, pero siempre existirá cierta incertidumbre por mucho que se intente controlar la situación. 

Otra consideración ambiental es la presión barométrica o presión atmosférica. La presión barométrica cambia principalmente en función de la altitud: cuanto mayor sea la altitud, más baja será la presión barométrica, y cuanto menor sea la altitud, más alta será la presión. Debido a que la presión atmosférica depende en gran medida de la altitud del lugar, deberá tenerlo en cuenta al medir la presión. 

La gravedad local es otro factor ambiental que deberá tener en cuenta a la hora de determinar la incertidumbre en las mediciones de presión. La gravedad local depende de varios aspectos, como la latitud, las características topográficas del lugar (como la presencia de montañas) y la altitud. Aunque las pequeñas variaciones en la gravedad local no serán perceptibles para un ser humano, es fundamental tenerlas en cuenta si se quiere realizar una medición extremadamente precisa. Estos pequeños cambios en la fuerza gravitacional pueden suponer grandes diferencias en la medición exacta de la presión y dar lugar a cierta incertidumbre. La gravedad local es un factor especialmente importante en el caso de los comprobadores de peso muerto que calibran los instrumentos de medición de presión y necesitan reproducir un punto de presión conocido basado en la masa, la gravedad y el área. 

Otro factor ambiental, quizás menos obvio, que se debe tener en cuenta es la presencia de vibraciones. Las vibraciones del entorno pueden afectar al manómetro y provocar posibles errores. Las vibraciones pueden ser naturales, pero es más probable que provengan de máquinas o dispositivos que funcionan cerca. Las vibraciones no suelen ser constantes, por lo que si no las tiene en cuenta en un análisis de incertidumbre, los datos de medición de presión pueden ser impredecibles. Para reducir la incertidumbre provocada por las vibraciones, asegúrese de que los manómetros estén montados de forma correcta y segura sobre una superficie adecuada para su uso. 

Orientación del dispositivo de medición

Algunos sensores de presión funcionan mejor en una orientación o posición de montaje determinadas y pueden ser sensibles a su configuración antes de la medición. En el caso de los comprobadores de peso muerto, la orientación no es lo único que se debe tener en cuenta: los usuarios deben considerar la diferencia en la altura de la columna de fluido de la referencia y el dispositivo sometido a prueba (DUT). Si no se tiene en cuenta esta diferencia, los resultados pueden verse gravemente afectados, sobre todo con bajas presiones. Asegúrese de orientar el manómetro según las recomendaciones del fabricante para reducir en la medida de lo posible la sensibilidad del instrumento a la orientación.

Incertidumbre del dispositivo de referencia para la calibración

La incertidumbre no solo afecta al manómetro que se utiliza para realizar mediciones en el trabajo diario. Los estándares de referencia que utilizan los metrólogos para calibrar el manómetro también están sujetos a la incertidumbre de medida. Si su manómetro lo ha calibrado un laboratorio con la certificación ISO/IEC 17025, debería poder encontrar la incertidumbre del dispositivo de referencia en el certificado de calibración del manómetro. El estándar de referencia también está sujeto a la incertidumbre y esto puede influir en la calibración del manómetro (y, por tanto, en su rendimiento de medición e incertidumbre).

Frecuencia de calibración

Con el tiempo, los dispositivos de medición sufren pequeños cambios en la precisión y fiabilidad de sus resultados. Esta desviación de la medición es la razón por la que es fundamental calibrar los dispositivos de medición con regularidad. Antes, las organizaciones y los laboratorios de calibración recurrían a la OIML D10 de la Organización Internacional de Metrología Legal (OIML) para determinar los intervalos de calibración, pero esa guía ya no está en vigor. Ahora, las organizaciones pueden consultar la ILAC G24 de la Cooperación Internacional de Acreditación de Laboratorios (ILAC) o la EURAMET cg-19 de la Asociación Europea de Institutos Nacionales de Metrología (EURAMET) para determinar los intervalos de calibración.

En la mayoría de los análisis de incertidumbre, se supone que un dispositivo se recalibra una vez al año, pero la frecuencia real de calibración ayudará a determinar la incertidumbre. Cuanto más tiempo pase entre una calibración y otra, mayor será la incertidumbre, mientras que cuanto menos tiempo pase entre una calibración y otra, menor será la incertidumbre.

Tiempo de permanencia

Todos los sistemas de medición de presión requieren tiempo para estabilizarse y alcanzar el equilibrio. Deben mantenerse, o permanecer, en un punto específico antes de que puedan realizar una lectura precisa. Ese tiempo de estabilización puede ser a veces de 30 segundos o más, y las mediciones fluctuarán antes de que el dispositivo alcance su tiempo de permanencia. Si intenta realizar una medición antes de que el manómetro se estabilice, corre el riesgo de que la incertidumbre influya en la medición. Cualquier fluctuación que se produzca durante ese periodo de tiempo puede dar lugar a un nivel de incertidumbre en la medición, por lo que es importante conocer y tener en cuenta el tiempo de permanencia del manómetro cuando calcule la incertidumbre.

Puesta a cero

El punto cero de un dispositivo de medición también puede variar con el tiempo, al igual que ocurre con su capacidad para realizar mediciones precisas. Esta desviación del punto cero puede deberse a histéresis mecánica, tensión residual, falta de calibración periódica, factores ambientales o, simplemente, a la antigüedad del equipo. Sea cual sea el motivo, la desviación del punto cero provoca una ligera incertidumbre en las mediciones exactas. En el caso de los manómetros digitales, la puesta a cero es relativamente fácil y se puede realizar pulsando un botón o buscando la función de puesta a cero en el menú adecuado. Sin embargo, en el caso de los manómetros analógicos, puede ser más complicada y requerirá la ventilación física de la presión. El método de ventilación dependerá del manómetro y de su construcción.

Ya hemos repasado algunos de los factores que pueden contribuir a la incertidumbre de medida de la presión. Ahora, veremos a grandes rasgos las clasificaciones de la incertidumbre de tipo A y B.

Determinación de las fuentes de incertidumbre de tipo A

Las incertidumbres de tipo A se pueden atribuir a mediciones cuantitativas y análisis estadísticos; ambas deben proceder de una serie de observaciones repetibles. Por ejemplo, cualquier tipo de incertidumbre para la que se puedan calcular promedios, desviaciones estándar o grados de libertad se clasificarían dentro del tipo A. Debido a estos estrictos parámetros de clasificación, suele haber menos incertidumbres de tipo A en un análisis de incertidumbre.

Determinación de las fuentes de incertidumbre de tipo B

La incertidumbre de tipo B, por otro lado, sería cualquier incertidumbre que no se pueda clasificar dentro del tipo A. A veces, se trata de incertidumbres cualitativas. Un ejemplo sería cuando aplica su criterio como experto para hacer ciertas suposiciones sobre el rendimiento o las características de un manómetro. Sin embargo, también existen incertidumbres cuantitativas de tipo B, como los puntos de datos que provienen de las especificaciones del fabricante del manómetro o de los certificados de calibración.

Muchas de las consideraciones que ya hemos tratado son incertidumbres de tipo B. La desviación, la frecuencia de calibración, la incertidumbre de referencia y el modelo del dispositivo de medición son todas incertidumbres de tipo B.

Cálculo de las incertidumbres

Una vez que haya determinado las incertidumbres de tipo A y tipo B para su manómetro, habrá establecido un punto de partida ideal para calcular realmente la incertidumbre general para sus mediciones de presión.

No obstante, cada caso es único en lo que respecta a la incertidumbre. Todas las consideraciones descritas anteriormente afectarán a los diferentes manómetros de distinta manera. Cada manómetro tendrá incertidumbres ligeramente diferentes que tendrá que comprobar, sobre todo las de tipo B. Encontrará gran parte de la información que necesita en los manuales del fabricante y en los informes de calibración de cada dispositivo.

Decir también que el proceso de cálculo de la incertidumbre puede ser complejo y requerir mucho tiempo; de hecho, existen cursos y seminarios web dedicados al cálculo de la incertidumbre de medida. Dicho esto, en términos generales, los pasos para calcular la incertidumbre son: 

1. Identificar y eliminar las fuentes externas de incertidumbre.
2. Calcular y confirmar las incertidumbres estándar (tipo A y tipo B).
3. Determinar la distribución de probabilidad de las incertidumbres estándar.
4. Convertir las incertidumbres estándar en desviaciones estándar.
5. Combinar las incertidumbres.
6. Calcular la incertidumbre expandida. 

Si desea obtener más información, consulte nuestra guía sobre cómo calcular la incertidumbre de medida.

Reduzca la incertidumbre en la medición de la presión con los instrumentos adecuados

Debido a la naturaleza precisa de la medición de la presión, siempre habrá cierto nivel de incertidumbre. Sin embargo, puede adoptar medidas para tenerla en cuenta y reducirla. Invertir en manómetros y estándares de presión de calidad con un alto nivel de precisión y fiabilidad, que sean trazables conforme a las normas nacionales e internacionales y tengan una incertidumbre claramente documentada, como los de Fluke Calibration, es un buen punto de partida. No obstante, no podemos olvidar que no existe ningún instrumento infalible, por muy bueno que sea, y que siempre habrá que calibrarlos para que conserven su nivel de precisión y fiabilidad. La incertidumbre puede afectar a todas las mediciones que tomemos, pero si adoptamos las medidas oportunas y nos preparamos debidamente, seguirán siendo precisas y fiables.