1.- Introducción
2.- Medidas de magnitudes, sus instrumentos y procedimientos de medición.
2.1. Medición de longitudes
2.2. Medición de ángulos
2.3. Medidas de áreas
2.4. Medida de pesos
2.5. Medida de la presión
2.6. Medida de la velocidad
2.7. Medida del tiempo
2.8. Medición de la temperatura
2.9. Magnitudes eléctricas
2.10. Medida de la densidad
2.11. Magnitudes acústicas
2.12. Magnitudes ópticas
3.- Errores en la medida
3.1.- Tipos de errores.
3.2. Causas del error en la medida
4.- Conclusión.
5.- Bibliografía.
− Técnicas de medida. Acta 2000.
− Tecnología Industrial I. Ed. McGraw-Hill
TEMA 42. MEDIDAS DE MAGNITUDES: INSTRUMENTOS Y PROCEDIMIENTOS. EL ERROR DE LA MEDIDA
1.- INTRODUCCIÓN
La medida está ligada al progreso de la humanidad, indicando el desarrollo científico-tecnológico de un país por eso los laboratorios Nacionales de Metrología existen en los países más desarrollados.
La importancia de las medidas ha evolucionado a lo largo de la historia que ha pasado desde las referencias del cuerpo humano como la pulgada a las definiciones, patrones y equipos de medida. Hay diversidad de magnitudes como longitud, masa, tiempo, lo que posibilita distintos tipos de medición y aparatos de medida.
Definimos la metrología como la ciencia que estudia las unidades y medidas de las magnitudes físicas, y define también los métodos e instrumentos de medida.
Magnitud es todo aquello que se puede medir y que se compara con otra de la misma especie llamada unidad. Medir una magnitud es indicar las veces que se repite la unidad en la magnitud a medir.
Las magnitudes pueden ser:
• Fundamentales, definidas arbitrariamente y son la base del sistema de unidades.
• Derivadas, las definidas en función de otras mediante ecuaciones físicas. Las magnitudes por su naturaleza pueden ser:
• Simples, las que medimos directamente.
• Compuestas, en las que necesitamos medir otras magnitudes ligadas por ecuaciones, por ejemplo, la velocidad, en que medimos espacio y tiempo.
También se utilizan los múltiplos y submúltiplos. En el sistema internacional, las unidades de medida son el metro, Kilogramo y Segundo.
Este tema es fundamental en el temario de tecnología, por su importancia, incluso con los alumnos de 1º de ESO se trata básicamente.
2.- Medidas de magnitudes, sus instrumentos y procedimientos de medición.
Se verán aquí los principales aparatos, las unidades y procedimientos.
2.1.- Medición de longitudes.
La unidad es el metro. El metro patrón es una barra de platino e iridio a 0 ºC, conservado en el museo de Pesas y medidas de París. La nueva definición del metro está relacionada con la longitud de onda de la radiación del Criptón 86.
1.- Calibre o pie de rey.
Es el más utilizado en las medidas de precisión. Consta de una regla de acero inoxidable donde en una de las caras está graduada en centímetros o milímetros, llevando otra en pulgadas paralelamente.
Perpendicularmente a esta regla va un brazo de boca fija. La pieza corredera solidaria a la boca móvil resbala sobre la regla. La corredera se puede inmovilizar con un tornillo de presión.
El desplazamiento de la boca móvil se hace por un pulsador fijo a la corredera. La corredera lleva una ventana abierta y cerrada con borde biselados.
El bisel inferior lleva la marca cero que coincide con el cero de la regla o del nonio si lo lleva.
El procedimiento de medida consiste en desplazar la boca fija sobre la móvil y leer la lectura del cero y la del nonio. La precisión se consigue con el nonio que lleva adjunto a la parte móvil..
2.- Tornillos micrométricos.
El micrómetro de tornillo o Pálmer permite medir con mayor apreciación que el pie de rey hasta 0.01 mm o 0.001 mm.
El procedimiento de medida está basado en que si una tuerca se hace girar sobre un tornillo, al dar una vuelta completa el tornillo avanza el paso del tornillo.
Está formado por:
Un cuerpo principal con forma de herradura que lleva la tuerca graduada en sentido longitudinal en ambos lados pero desfasada 0.5 mm y un tornillo de paso 0.5 mm terminado en un mango que ajusta con la tuerca.
Para medir se coloca la pieza entre los 2 topes, girando el tambor de fricción. Una vez que los 2 topes toquen el tornillo no avanza más por lo que la precisión es mayor que con el pie de rey donde afecta la presión de las manos.
3.- Cinta métrica
Está formada por un fleje flexible de acero. Su longitud es de decámetros incluyendo las empuñaduras. Un tornillo con tuerca y pasador une las manillas a la cinta con lo que permite corregir su longitud si se descorrige. Los metros vienen marcados con remaches circulares, los decímetros con taladros y cada 5 metros hay un remache cuadrado. Se acompaña de un bastidor para enrollarlo y facilitar el transporte. Su procedimiento de medida es posicionar el cero de la cinta en un extremo y el otro extremo marcará la medición.
4.- Estación total.
Aparato topográfico consistente en un teodolito electrónico capaz de medir ángulos horizontales y verticales más un distanciómetro también electrónico. La estación total es uno de los aparatos más utilizados en métodos topográficos. Tiene alta precisición de medición y se utiliza combinado con programas informáticos que desarrollan los planos. Su procedimiento de medida se basa en el tiempo que tarda en ir y volver una onda electromagnética. Para medir un segmento, se estaciona el equipo en un punto y en el otro está la lente que refleja la onda.
5.- GPS
Instrumentos utilizados para medir grandes distancias por medio de los 24 satélites que orbitan la Tierra. Hoy en día el GPS también se utilizar para navegación terrestre o marítima.
3.2 Medición de ángulos.
Los ángulos se miden en grados, minutos y segundos en el sistema centesimal y sexagesimal, y en radianes en el sistema de radiantes.
Los instrumentos son:
1.- Transportadores:
Disponen de una escala graduada generalmente de 0º a 180º o de 0º a 360º. Permite medir de forma directa o a partir de unos mecanismos que siguen las líneas.
El procedimiento de medida, consiste en hacer coincidir el vértice y el cero con un lado del ángulo y el otro lado coincidirá con la unidad medida.
Los transportadores más precisos llevan un nonio determinando las fracciones del grado.
El Transportador universal se utiliza para la medición o trazado de ángulos. Consta de 2 partes que se desplazan entre ellas por 1 eje.
Una la parte fija con Brazo móvil, corona con limbo graduado en 4 sectores de 90º y eje solidario a la corona y otra parte móvil que tiene, brazo secundario, plato unido al brazo secundario y con nonius. El procedimiento de medida se basa en hacer coincidir los 2 lados a medir.
2.- Goniómetros.
Es todo aquel aparato que mide ángulos. Se emplean en instrumentos ópticos, topográficos, geodésicos, astronómicos, de navegación, etc.
Los goniómetros más usuales en la topografía son los siguientes:
3.- Teodolito y taquímetro.
Que mide los ángulos con alta precisión. El fundamento es que miden el ángulo horizontal llamado acimut y el vertical llamado cenital cuando se mira por el anteojo o colimador.
De modo que al estar el instrumento perfectamente estacionado se delimitan los ejes verticales y horizontales haciendo la visual al punto de medición y se observa la medida horizontal y vertical en unas escalas. El trípode ayuda a sostener y nivelar la estación. Las distancias se miden por medio del cálculo de la reflexión de la luz incidida en un prisma.
2.3.- Medidas de áreas.
Su unidad es el metro cuadrado y se puede medir de distintas maneras.
En superficies pequeñas homogéneas, por composición de unidades lineales, con regla o cinta métrica a partir de una fórmula.
Para superficies heterogéneas con Planímetro que calcula el área mecánicamente sobre el papel de zonas cerradas. Su utilidad es para calcular momentos estáticos, centros de gravedad, momentos de inercia, etc. Consta de una varilla fija y otra variable con una rueda que tiene que recorrer el contorno a medir, dando las unidades en un lector.
Por la Fotografía aérea se basa el cálculo de superficies forestales, urbanas, etc. Conocida la relación entre la superficie de una porción de terreno y el de la parte proporcional en la ortofoto, se calcula el resto de zonas que tengan la misma relación altimétrica.
Con una estación total también se consigue la medida de áreas porque lleva un programa interno que lo calcula a partir de las distancias.
2.4.- Medida de pesos
kilogramo.
Hay varios métodos para medir pesos.
1. Por comparación.
2. Pesaje electrónico
3. Pesaje neumático e hidráulico
1.- Por comparación.
Por comparación puede ser por Balanza simple que lleva 2 brazos iguales apoyados en el centro y en un lado se ponen los pesos y en otro la masa a pesar, donde lleva un fiel para indicar el ajuste o por báscula simple, donde está apoyada en un punto la masa a pesar y en el otro 2 barras con peso deslizante (uno de ajuste fino y otro grueso) donde lleva un fiel para indicar el ajuste.
2.- Electrónicamente.
El pesaje electrónico transforma una fuerza en señal eléctrica, donde una pieza de elasticidad conocida varía su resistencia proporcional a la longitud del hilo y ésta es medida en un puente de Wheastone.
3.- Neumáticamente o hidraúlicamente.
Con el procedimiento neumático o hidráulico se transforma la presión de un fluido por medio de manómetros en una señal eléctrica.
2.5.- Medida de la presión.
La presión se mide en sistema internacional en N/m2, también en bares, pascales, atmósferas. Un pascal es la presión uniforme que, actuando sobre una superficie plana de 1 metro cuadrado, ejerce perpendicularmente a esta superficie una fuerza total de 1 newton
Se mide con el barómetro de Torricelli basado en que una columna lleva mercurio donde se coloca sobre una bandeja que también lleva mercurio y se alcanza un equilibrio entre la longitud de la barra con mercurio y la presión atmosférica.
Los barómetros mas conocidos son:
− Barómetros aneroides. Basado en la presión atmosférica ejercida sobre una caja metálica con vacío en su interior.
− Barómetros de mercurio, basados en el principio del barómetro de Torricelli.
− Altímetros, que miden la disminución de la presión del aire con la altura.
Para presiones de vacío, se utilizan los vacuómetros. El vacuómetro de Pirani se basa en la evacuación del calor de un hilo metálico caliente a través de un gas con el que está en contacto.
2.6.- Medida de la velocidad.
Es la relación entre la distancia recorrida por tiempo utilizado y se mide en m/s, y los procedimientos de medida se basan en medir estas magnitudes.
Cuando medimos velocidad en ejes se mide la velocidad angular de un eje rotativo mediante tacómetros, ya sean mecánicos o eléctricos.
Lo Tacómetros mecánicos miden la velocidad por el efecto de la fuerza centrífuga de un péndulo que comprime un muelle donde la compresión es proporcional a la velocidad de giro.
Los Tacómetros eléctricos, tienen un transductor que transforma la velocidad de giro en una señal analógica o digital.
2.7.- Medida del tiempo
El tiempo se mide por comparación con la duración de un movimiento periódico y su unidad en el S.I. es el segundo. Los instrumentos pueden ser:
• Relojes normales, que funcionan por mecanismos de cuerdas, pesas, etc, con movimiento periódico.
• Relojes electrónicos, que tienen un circuito oscilante electrónico de frecuencia conocida y constante o por
• Relojes atómicos, que utilizan las oscilaciones de los átomos del nitrógeno en las moléculas del amoniaco.
2.8.- Medición de la temperatura
La temperatura es la medida de la cantidad de energía de un objeto. Ya que la temperatura es una medida relativa, las escalas que se basan en puntos de referencia deben ser usadas para medir la temperatura con precisión. Hay tres escalas la escala Fahrenheit, la escala Celsius, y la escala Kelvin.
Como instrumentos se clasifican, principalmente, en instrumentos de contacto, que exigen que una parte del instrumento se mantenga en contacto directo con el cuerpo o bien con el ambiente cuya temperatura se desea conocer, e instrumentos de radiación, que se fundamentan en la influencia de la energía radiada por el cuerpo caliente sobre una parte sensible del instrumento.
En el grupo de instrumentos por contacto tenemos:
1º.- Termómetro de dilatación de líquidos, de sólidos y de gases.
2º.- Termómetros de resistencia eléctrica.
3º.- Pirómetros termoeléctricos.
4º.- Otros instrumentos diversos.
Como instrumentos por radiación tenemos:
1º.- Pirómetro de radiación total
2º.- Pirómetros ópticos
3º.- Pirómetros fotoeléctricos.
Las mediciones generales se basan en la variación de una magnitud física de un material por efecto de la temperatura. Los instrumentos más utilizados son 4:
1) Termómetro de vidrio, que lleva un depósito donde se aloja el fluido y con la temperatura asciende o desciende el fluido usado. Que puede ser mercurio, alcohol, tolueno, etc.
2) Termómetro bimetálico, basado en la dilatación diferente de dos metales en que las láminas se conectan a una espiral con un extremo fijo y otro móvil.
3) Sondas de resistencias, fundamentadas en la variación que tienen unos conductores eléctricos con la temperatura.
Conocidas como NTC o PTC.
4) Termistores, son componentes electrónicos semiconductores de coeficiente de Temperatura negativo con alta sensibilidad (NTC). También existen los de coeficiente positivo, que la resistencia aumenta con la temperatura.
2.9.- Magnitudes eléctricas.
1.-Tensión.
Que transporta una corriente de intensidad constante de 1 ampere cuando la potencia disipada entre estos puntos es igual a 1 watio
Se realiza con el voltímetro que consta de un galvanómetro con una resistencia en serie. El voltímetro se conecta en paralelo al elemento a medir debido a la alta resistencia que poseen. Está formado por una bobina de hilo de cobre y en su interior una pieza de hierro unido a un eje que lleva una aguja sobre una escala graduada.
Para medir alta tensión en corriente alterna se usan los transformadores de tensión, donde el voltímetro se conecta al bobinado secundario.
2.-Intensidad
Se mide con el amperímetro y la unidad el Amperio. Se conecta en serie del elemento a medir. Consta de lo mismo que los voltímetros pero la bobina es más gruesa y con pocas espiras con lo que tiene menos resistencia. La desviación de la aguja es proporcional a la intensidad de la corriente. Para medir intensidades elevadas en alterna se usa el transformador de intensidad. Para medir pequeñas intensidades se usa el galvanómetro. El galvanómetro mide la intensidad de la corriente basado en el funcionamiento de la repulsión magnética.
3.- Resistencia.
Se mide con el ohmímetro, expresado en ohmios. Se basa en la relación de la ley de Ohm donde V = I * R , y necesitamos una fuente de tensión que suministrará una intensidad donde se calculará la resistencia.
Para medir resistencias se puede hacer por los siguientes métodos.
• Con el voltímetro y amperímetro.
• Con el ohmímetro
• Con puente de Wheastone.
El Puente de Wheastone es una red eléctrica para medir resistencias ni muy bajas ni muy altas. Consta de 4 resistencias, 3 de ellas conocidas y 1 de ellas que se tiene que calcular.
En el interior del cuadrilátero formado por las resistencias se coloca el galvanómetro que tendrá que marcar que no pasa corriente para calcular así la resistencia desconocida.
4.- Potencia.
Se mide en Watios que es la potencia que da lugar a una producción de energía igual a 1 julio por segundo y se mide con el procedimiento del Voltiamperímetro o con el vatímetro. El vatímetro se considera como un amperímetro y un voltímetro en combinación dentro de una caja. La potencia es igual a Voltaje x Intensidad.
En corriente alterna el concepto de potencia se desglosa en:
• Potencia activa, P= U x I x cos φ. medido vatios (W). Que se mide con el vatímetro en corriente continua y con el voltímetro, amperímetro y cosímetro en alterna, para medir el desfase entre la V y la I.
• Potencia reactiva, Q= U x I x sen φ, se mide con el varímetro. Se expresa en Voltios Amperios Reactivo.
• Potencia aparente, S= U * I, expresado en voltioamperios.
5.- Frecuencia.
Que se mide con el frecuencímetro e indica en corriente alterna el número de ciclos que se dan en un segundo. Consta de un galvanómetro, conmutadores, resistencia y pila.
6.- Polímetro
Es un instrumento sencillo y multifunción porque permite medir tensiones continuas y alternas, intensidades de corrientes continuas, y resistencias. Consta de un galvanómetro, conmutadores, resistencias y una pila.
7.- Fasímetro
Determina el desfase entre la intensidad y la tensión, es decir el factor de potencia que es igual al cosφ
También se puede calcular con un vatímetro, amperímetro y voltímetro conjuntamente.
8.- Contador de energía.
Que mide la potencia por el tiempo, expresado en Kilovatioshora (Kwh). Consta de un vatímetro y un medidor de tiempo que en cada instante hace el producto de P x t.
En corriente continua se emplea el contador de Thomson y en alterna monofásica contadores de inducción.
2.10.- Medida de la densidad
Que se define como la masa por unidad de volumen. Se mide con aerómetros, refractómetros o balanza de gases y su unidad es el kg/m3. El procedimiento básico es conocer el volumen y su masa.
El aerómetro se basa en un flotador unido a una escala. El refractómetro se basa en la refracción de un haz luminoso en un prisma y la balanza de gases mide comparándolo con un gas patrón.
2.11.- Magnitudes acústicas.
Las magnitudes acústicas mas usadas son la presión sonora y el nivel de presión de sonoro, medido en decibelios (dB), basada en una escala logarítmica.
Algunos aparatos de medida son el Fonendoscopio y el Sonómetro.
2.12.- Magnitudes ópticas
Las magnitudes ópticas más importantes son:
• Frecuencia, que es el número de oscilaciones por segundo, medido en herzios.
• Longitud de onda, que es la distancia entre dos puntos consecutivos en la misma posición.
• Velocidad de propagación, como el producto de su frecuencia y longitud de onda. Algunos instrumentos para medir son el Estroboscopio y el Luxómetro
3. Errores en la medida
Al hacer mediciones es inevitable cometer errores. Estos pueden ser debidos al instrumento llamados errores sistemáticos y en otras ocasiones por la manera de hacer la medida, errores accidentales.
Dos son los métodos que nos sirven para comprobar la exactitud de una medida.
1. Realizar la medición varias veces, obteniendo la media de las mediciones. El error resulta de la diferencia entre el valor medido y el valor medio.
2. Medir por separado una serie de cantidades y comprobar que cumplen una relación entre ellos. Por ejemplo, la suma de los ángulos de un triangulo suma 180º.
3.1.- Tipos de errores.
Que pueden ser sistemáticos o accidentales.
1. Errores sistemáticos.
Que son los debidos al error absoluto y error relativo.
El error absoluto es la diferencia entre el valor medido y el valor real y
El error relativo, es el cociente entre el error absoluto y el valor verdadero.
2. Errores accidentales
Que se cometen por la forma de hacer la medida. Pueden ser de paralaje o de apreciación.
• Error de paralaje, que se da cuando no se observa perpendicularmente la aguja, obteniendo otra medida cercana.
• Error de apreciación, que se da cuando el índice se detiene entre 2 marcas de la escala y no se sabe apreciar las subdivisiones posibles.
3.2. Causas del error en la medida
Las causas más frecuentes de error son:
1. Imperfección de los instrumentos que se corrigen calibrando el aparato.
2. Limitación de los sentidos, que depende de la experiencia en hacer mediciones dando errores personales.
3. Variación de las condiciones naturales, que originan los errores naturales por efecto de las condiciones ambientales, temperatura, humedad, viento, influyendo en el resultado de la medida.
4. Conclusión.
En definitiva hay gran cantidad de magnitudes a medir, y en la actualidad se dispone de instrumentos y procedimientos que nos permiten tener una verdadera magnitud, permitiéndonos conocer muchos procesos que ocurren a nuestro alrededor y que podemos cuantificar de manera fácil. Todos estos instrumentos se basan en principios físicos, eléctricos, etc que se combinan según la magnitud a medir.