¿Qué es la incertidumbre de medición y por qué es importante en la calibración?
La incertidumbre de medición es un cálculo fundamental en el proceso de calibración. Muchos laboratorios de calibración deben ponerla a disposición de los clientes para mantener el cumplimiento de las normas de calidad, como la norma ISO 17025. Pero, más importante aún, sin una comprensión precisa y fiable de las incertidumbres de un instrumento de medición, los usuarios corren el riesgo de aprobar sistemas que podrían no ser seguros para operar, lo que puede volverse peligroso rápidamente, especialmente en operaciones industriales como las refinerías de petróleo.
Dicho esto, el cálculo de la incertidumbre de medición, conocido como análisis de incertidumbre, puede resultar complicado. Hay gran cantidad de variables y factores que influyen en la incertidumbre de medición: condiciones ambientales como la gravedad local y los niveles de humedad, limitaciones del instrumento de medición específico y errores humanos, por ejemplo.
En esta guía, analizaremos esas complicaciones con más detalle y proporcionaremos una útil guía paso a paso para ayudarle a calcular mejor la incertidumbre de medición.
¿Qué es la incertidumbre de medición?
La incertidumbre de medición es un rango de valores que indica la duda sobre la lectura de cualquier cantidad física medida por una herramienta; en otras palabras, es una expresión cuantificada de la precisión de lectura. El valor verdadero y preciso de la cantidad física se encuentra dentro del rango de incertidumbre.
Por ejemplo, un multímetro digital que puede medir tensión de CC puede tener una incertidumbre de medición indicada de ±0,2 %. En este caso, una lectura precisa de a tensión de CC estaría dentro de un margen de más o menos 0,2 % de cualquier lectura que aparezca en la pantalla. Si el multímetro muestra una lectura de 5,000 V, la tensión real estaría entre 5,010 V y 4,990 V.
Incertidumbre de medición y error de medición
Tenga en cuenta que incertidumbre no es lo mismo que error. La incertidumbre expresa el rango dentro del cual se encuentra el valor verdadero de medición. Sin embargo, el error indica la cantidad en que la lectura difiere del valor verdadero.
Factores clave que afectan a la incertidumbre de medición
Tal como mencionamos anteriormente, existe una gran cantidad de variables y factores diferentes que deben considerarse al analizar la incertidumbre. No se trata de una lista completa, pero es más probable que estas consideraciones específicas den lugar a cálculos incorrectos:
- Entorno: el entorno físico del laboratorio donde se encuentre puede afectar a los resultados de las mediciones. Tenga en cuenta factores como la presión, la humedad relativa, la suciedad y el polvo, la temperatura, la gravedad local debida a la elevación, incluso otras máquinas o dispositivos de la sala que puedan generar ruido eléctrico que pueda alterar las lecturas. Factores como estos pueden afectar a la capacidad del dispositivo sometido a prueba (DUT) y de su equipo de calibración para tomar lecturas precisas.
- Equipos: el equipo utilizado en el cálculo también puede afectar a los resultados. Tanto su equipo de calibración como el dispositivo sometido a prueba podrían estar obsoletos y deteriorados, o ambos podrían presentar errores de sesgo. Los equipos de prueba o medición también pueden tener una resolución limitada, un factor que puede incluirse en el análisis de incertidumbre.
- Operario: El error humano es otra variable a considerar. Con el tiempo, usted u otro metrólogo o ingeniero de su equipo incurrirá en errores al realizar calibraciones y pruebas; estos errores contribuirán a la incertidumbre de medición. La formación, las habilidades y el criterio de una persona pueden afectar a los resultados finales. Incluso atributos físicos, como la vista y los tiempos de reacción del operador, pueden influir.
- Estándares de referencia: tal como hemos mencionado anteriormente, el equipo implicado en el cálculo de la incertidumbre de medición debe formar parte de su análisis de incertidumbre; dicho equipo incluye sus estándares de referencia, es decir, sus dispositivos y sistemas de calibración. Para asegurarse de que los dispositivos de calibración tengan una buena trazabilidad, compruebe sus certificados de calibración para ver cuándo se calibraron por última vez. Además, asegúrese de que los demás elementos del sistema de calibración estén en buen estado. Por ejemplo, compruebe si hay fugas en los sistemas de presión y confirme que disolventes u otros medios están libres de contaminantes.
Cómo calcular la incertidumbre de medición en un laboratorio de calibración
1. Identificar y eliminar fuentes de incertidumbre externas
Utilice las consideraciones de análisis de incertidumbre que hemos comentado anteriormente como lista de comprobación para ayudarle a identificar y eliminar cualquier fuente de incertidumbre externa:
- factores ambientales (gravedad local, temperatura, ruido de señal, etc.)
- Limitaciones del equipo (antigüedad, resolución, etc.)
- Limitaciones del operador (error humano, tiempos de reacción, etc.)
- Estándares de referencia (trazabilidad, fugas del sistema, contaminación de disolventes o medios, etc.)
La eliminación de estas fuentes de incertidumbre externas ayudará a garantizar que los datos que utilice para el cálculo sean lo más limpios posible.
2. Estimar incertidumbres estándar
Una vez que haya eliminado el máximo número de fuentes de incertidumbre externas posible, tendrá que entender qué otras incertidumbres quedan y si debe categorizarlas como incertidumbres de tipo A o de tipo B, también conocidas como incertidumbres estándar.
Las incertidumbres de tipo A son aquellas que 1) pueden vincularse a una medición cuantitativa y, lo más importante, 2) resultan de una serie de observaciones. En otras palabras, es necesario recopilar varios puntos de datos por incertidumbre para clasificarla como incertidumbre de tipo A. Los análisis como el promedio, la desviación estándar y los grados de libertad le ayudarán a evaluar cualquier incertidumbre estándar de tipo A.
Las incertidumbres de tipo B son cualquier punto de datos que no es de tipo A. En otras palabras, las incertidumbres de tipo B son puntos de datos que no pueden recopilarse a través de una serie repetida de observaciones. La información recopilada de fuentes como certificados de calibración, especificaciones del fabricante, revistas científicas e informes de comparación entre laboratorios (como la KCDB de BIPM) son datos de incertidumbre de tipo B.
3. Determinar la distribución de probabilidad de las incertidumbres estándar
Una vez categorizadas las incertidumbres como de tipo A o tipo B, elija una distribución adecuada para trazar esos puntos de datos. En la mayoría de los casos, se puede usar una de estas dos distribuciones: una distribución normal (es decir, una distribución gaussiana o una curva de campana) o una distribución rectangular (es decir, una distribución uniforme).
Para las incertidumbres de tipo A, es probable que sea apropiada una distribución normal; para las incertidumbres de tipo B, una distribución rectangular debería ser suficiente.
4. Convertir las incertidumbres estándar en desviaciones estándar
Con los datos de incertidumbre de tipo A y tipo B trazados en una distribución de probabilidad apropiada, podrá convertir los datos de cada incertidumbre en una desviación estándar (un requisito para el siguiente paso de nuestro cálculo: combinación de incertidumbres).
Para realizar esta conversión a desviación estándar, debe utilizar el divisor correcto para la distribución de los datos:
- Para una distribución normal, utilice el factor de cobertura, o valor k, como divisor.
Sugerencia para encontrar el valor k: si el dispositivo tiene un informe de calibración acreditado por ISO/IEC 17025, puede encontrar el valor k en el informe. También puede utilizar los niveles de confianza indicados en la hoja de especificaciones del fabricante para determinar el valor k. La guía ISO para la expresión de la incertidumbre de medida (GUM) proporciona una tabla de conversión útil para los niveles de confianza comunes y detalles para calcular el valor k manualmente en el anexo G, sección 1.
- Para una distribución rectangular, su divisor será la raíz cuadrada de 3 (1,7321).
Tenga en cuenta que necesitará realizar esta conversión para cada fuente de incertidumbre que haya recopilado. Si, por ejemplo, ha identificado cuatro incertidumbres de tipo A diferentes y siete incertidumbres de tipo B, corresponde asignar una desviación estándar a cada fuente, es decir, 11 en total en este caso.
5. Combinar incertidumbres
Con la desviación estándar calculada para cada fuente de incertidumbre, puede combinarlas utilizando el método de la raíz de la suma de cuadrados (RSS):
- Eleve al cuadrado la desviación estándar de cada fuente de incertidumbre.
- Sume cada desviación estándar al cuadrado.
- Calcule la raíz cuadrada de la suma.
La raíz cuadrada del resultado representa la incertidumbre estándar combinada total.
6. Calcular la incertidumbre expandida.
Por último, si desea que su incertidumbre se encuentre dentro de un nivel de confianza específico, deberá calcular la incertidumbre expandida.
Para ello, necesitará de nuevo un valor k o factor de cobertura; el valor k de este paso debe corresponder al nivel de confianza que prefiera. Para la mayoría de los fines de calibración, un nivel de confianza del 95 % (k=2) debería ser suficiente.
Una vez que haya determinado el valor k que corresponda al nivel de confianza que desee, simplemente multiplique la incertidumbre combinada hallada en el paso cinco por el valor k.
Cómo informar sobre resultados de incertidumbre según las normas del sector y los requisitos del cliente
Informar sobre la incertidumbre según la norma ISO 17025 brinda a los clientes una imagen clara de la precisión de calibración de un laboratorio. Esto se ajusta a la norma ISO/IEC 17025:2017, que exige proporcionar resultados claros, precisos y objetivos, junto con toda la información necesaria para interpretarlos.
La norma ISO/IEC 17025 establece que los laboratorios de pruebas acreditados pueden estar obligados a informar de los resultados de incertidumbre en varias situaciones. Por ejemplo, cuando así lo requiera el cliente o cuando la incertidumbre de medición sea necesaria para interpretar correctamente los resultados. Los laboratorios de calibración ISO 17025, en cambio, siempre deben incluir la incertidumbre de medición en los certificados de calibración.
Cuando se informa de la incertidumbre de la medición, tanto los laboratorios de pruebas como los de calibración deben presentarla en la misma unidad que la medición o en un término relativo a la medición (por ejemplo, un porcentaje).
Resumen: cálculo de la incertidumbre de medición
A estas alturas, debería tener una idea más clara y general de cómo determinar la incertidumbre de medición de sus dispositivos. Sin embargo, existen consideraciones especiales para tipos específicos de dispositivos de medición. Para obtener más información sobre el cálculo de la incertidumbre de medición en situaciones más específicas, consulte los siguientes recursos.