00:00:01
Pocas cosas están tan presentes en nuestra
vida cotidiana como las mediciones. Las tomamos
00:00:06
en cuenta cuando compramos productos en el
supermercado. Las realizamos al preparar nuestra
00:00:11
receta favorita en cuanto a la cantidad de
cada ingrediente y el tiempo que toma cada
00:00:15
paso. Aunque la mayoría de las veces, hacemos
uso de ellas, pues gran parte de la tecnología
00:00:21
a nuestro alrededor realiza una infinidad
de mediciones para facilitar nuestras actividades.
00:00:26
¡Hola! Mi nombre es Israel y hoy hablaremos
de metrología.
00:00:37
Metrología significa ciencia de la medición
y sus aplicaciones, es decir que es un área
00:00:42
del conocimiento que se enfoca en el estudio
de los aspectos teóricos y prácticos de
00:00:47
las mediciones. De esta definición surge
una pregunta sumamente importante: ¿qué
00:00:53
es una medición?
Medición es el proceso de obtener experimentalmente
00:00:57
la magnitud física de un objeto o fenómeno
de interés, que en este caso llamaremos mesurando,
00:01:02
al compararlo con una unidad de referencia…
y el dispositivo que utilizamos para realizar
00:01:07
esta comparación se llama instrumento de
medición.
00:01:11
Ahora es necesario saber cuáles son estas
magnitudes físicas y cuáles son sus unidades
00:01:16
de referencia. Para ello tenemos que hablar
del BIPM, el Bureau International des Poids
00:01:23
et Mesures o, en español, la oficina internacional
de pesos y medidas, un organismo que surge
00:01:29
en 1875 a partir de la Convención del metro
y cuya sede está a las afueras de París.
00:01:36
El BIPM está cargo de algo que seguramente
todos ustedes conocen: el sistema internacional
00:01:42
de unidades, el famoso SI, que es justamente
en donde se definen las 7 magnitudes físicas
00:01:49
fundamentales y sus unidades de base correspondientes.
En él encontramos a la masa cuya unidad de
00:01:55
base es el kilogramo, la longitud con el metro,
el tiempo con el segundo, la corriente eléctrica
00:02:02
con el ampere, la temperatura termodinámica
con el kelvin, la cantidad de sustancia con
00:02:08
el mol y finalmente la intensidad luminosa
con la candela.
00:02:13
Como dato importante, a partir de mayo del
2019 todas las unidades de base se definen
00:02:19
a partir de 7 constantes universales, es decir
que están presentes en la naturaleza y que
00:02:24
nunca cambian. Antes de esto, algunas de las
unidades fundamentales se definían a partir
00:02:30
de lo que se conoce como patrón. Por ejemplo,
para el kilogramo el BIPM usaba un cilindro
00:02:37
de aleación platino-iridio, y con él definía
lo que era el prototipo internacional del
00:02:42
kilogramo, el IPK.
Ahora bien, si combinamos estas unidades de
00:02:48
base a partir de multiplicaciones y divisiones
podemos obtener lo que se conoce como unidades
00:02:53
derivadas. Algunas de estas pueden tener un
nombre específico como el caso de la carga
00:02:58
eléctrica que tiene como unidad el coulomb
y resulta del ampere segundo. Por otro lado,
00:03:04
la unidad de área no tiene un nombre especifico
y es únicamente metro cuadrado.
00:03:11
Otro aspecto clave, que definitivamente no
hay que olvidar, es que el sistema internacional
00:03:15
de unidades hace uso de prefijos que representan
múltiplos y submúltiplos decimales de las
00:03:20
diferentes unidades. Por ejemplo, puedo medir
el tiempo de activación de un transistor
00:03:25
en nanosegundos, el peso de un insecto en
microgramos o la distancia de mi casa a la
00:03:31
universidad en kilómetros.
Además de representar a la comunidad metrológica
00:03:36
internacional, el BIPM también se asegura
de lo que se conoce como trazabilidad, concepto
00:03:41
que se puede ver de la siguiente manera: si
yo tengo un instrumento de medición y quiero
00:03:46
asegurarme de que su lectura es adecuada lo
puedo llevar algún laboratorio que lo certifique.
00:03:52
Para ello, ahí van a comparar la lectura
de mi instrumento con la de algunos patrones
00:03:56
de medición o referencias confiables. El
proceso de cuantificación de la desviación
00:04:01
de mi instrumento respecto a su referencia
se conoce como calibración. Una vez conocido
00:04:06
este valor, si está fuera de algún rango
de tolerancia especificado, se puede realizar
00:04:11
el ajuste del instrumento. A su vez, las referencias
y procedimientos de estos laboratorios son
00:04:18
calibrados y acreditados por organizaciones
de cada país, quienes manejan el estándar
00:04:22
nacional o primario, por ejemplo, el Centro
Nacional de Meteorología en México, el National
00:04:29
Institute of Standards and Technology en los
Estados Unidos o el Physikalisch Technische
00:04:33
Bundesanstalt en Alemania. Finalmente, el
BIPM también se asegura de que los procedimientos
00:04:40
y referencias de estos organismos nacionales
sean adecuados y confiables, con lo cual provee
00:04:46
un estándar internacional. En resumen, esto
significa que se puede validar que toda medición
00:04:52
está referenciada, a partir de una cadena
de comparaciones, o calibraciones, a un patrón
00:04:57
o estándar en donde el de mayor jerarquía
es justamente el Sistema Internacional del
00:05:02
BIPM. Como resultado, es posible tener confianza
de que un metro es igual aquí y en China,
00:05:09
un aspecto que permite comercio justo e incluso
cooperación en proyectos, pues se tendrá
00:05:14
una especie de lenguaje universal, o, en otras
palabras, un estándar invariante en el tiempo
00:05:19
y espacio.
Hablando de estándares, resulta que este
00:05:24
proceso de calibración y trazabilidad está
definido por la norma ISO/IEC 17025. Seguramente
00:05:32
han escuchado ISO antes por la famosa certificación
ISO9001, que se refiere a los sistemas de
00:05:38
gestión de calidad, y que también requieren
de este proceso. La ISO es la Organización
00:05:44
Internacional de Normalización mientras que
la IEC es la Comisión electrotécnica internacional,
00:05:49
y ambas tienen su sede en Ginebra, Suiza.
Además de estos conceptos, existen otros
00:05:55
que son fundamentales al hablar de metrología
y estándares, como es el caso de la exactitud,
00:06:01
precisión e incertidumbre, que también se
encuentran definidos de forma oficial en diferentes
00:06:06
documentos y normas. Entre los más importantes
están el Vocabulario Internacional de Metrología
00:06:12
y la Guía para la expresión de la incertidumbre
en la medición, ambos documentos redactados
00:06:17
por el Comité Conjunto de Guías en Metrología
y en los que se basa la guía 99 de la ISO
00:06:22
y de la IEC. A su vez, las normas ISO 3534,
ISO 5725 o la IEC 60050 profundizan en estos
00:06:33
conceptos
Ahora los veremos aplicados en un breve ejemplo:
00:06:39
Imaginemos que quiero obtener la masa de un
objeto y para ello utilizo un instrumento
00:06:43
de medición que me indica el valor en kilogramos
con una resolución de gramos. Empiezo a tomar
00:06:48
lecturas de ese objeto con mi instrumento
y observo los siguientes valores marcados
00:06:52
en azul, mientras que también obtengo la
media, o promedio acumulado, que pueden ver
00:06:57
en naranja. El primer aspecto que se puede
notar es que los valores observados tienen
00:07:02
variabilidad, es decir que el instrumento
no presenta siempre la misma lectura, pero
00:07:07
al aumentar el número de muestras este promedio
se estabiliza, concepto que en probabilidad
00:07:12
se establece en la Ley de los Grandes Números.
Aun cuando ya me es posible inferir algunas
00:07:18
características de mis datos, resulta sumamente
útil hacer uso de herramientas de visualización
00:07:23
que hagan más claros otros parámetros de
interés, y la primera de la que hablaremos
00:07:28
es el diagrama de caja. Este diagrama nos
permite ver la mediana, valores máximos y
00:07:34
mínimos, la concentración de los datos en
términos del rango intercuartil y los valores
00:07:39
atípicos, comúnmente llamados por su nombre
en inglés: outliers. Es importante identificar
00:07:45
las causas de los outliers, pues si son atribuibles
a una falla en la toma de la lectura o se
00:07:51
trata de casos extremos fuera de la tendencia
de los datos, se pueden descartar.
00:07:56
La segunda visualización es el histograma.
En él podemos observar los datos, o intervalos
00:08:01
de datos, que más frecuentemente se presentan,
aspecto que se relaciona con la moda, aunque
00:08:07
estas frecuencias de aparición también nos
permiten determinar si podemos aproximar una
00:08:11
función de densidad de probabilidad. En el
caso de que esta función siga la distribución
00:08:16
normal o gaussiana como en la imagen, nuevamente
podemos obtener la media, pero también una
00:08:22
medida de dispersión sumamente útil: la
desviación estándar. Como paréntesis, la
00:08:28
media, la moda y la mediana se conocen como
medidas de tendencia central.
00:08:33
En este momento ya es posible hablar de un
resultado de la medición en donde la cantidad
00:08:38
medida será la media y la incertidumbre estará
expresada a partir de la desviación estándar.
00:08:44
La incertidumbre es un rango que indica la
duda sobre la validez de la medición, en
00:08:49
donde una menor dispersión representa una
mayor confianza en el resultado, mayor calidad
00:08:54
de la medición, mayor consistencia de los
datos y una mayor precisión. Un aspecto de
00:09:01
gran relevancia es que se puede usar un factor
de cobertura que nos indica cuántas desviaciones
00:09:06
estándar usamos para cuantificar el rango
de la incertidumbre. Por ejemplo, un factor
00:09:12
k=1 implica que el 68% de mis mediciones están
dentro del rango, mientras que k=2 implica
00:09:20
que el 95% de mis mediciones se encuentran
en ese rango.
00:09:23
Ahora imaginemos que ese objeto que estoy
midiendo es un patrón de 1kg y lo utilizo
00:09:28
para la calibración de mi instrumento. Con
esto puedo obtener el error en la medición
00:09:33
que es la diferencia entre mi lectura y la
referencia, cuestión que se relaciona con
00:09:37
la exactitud. Este error está compuesto por
el error aleatorio y el error sistemático.
00:09:43
El aleatorio es impredecible y, tal y como
la incertidumbre y la precisión, se cuantifican
00:09:48
con la desviación estándar. En cambio, el
error sistemático sí es predecible y se
00:09:54
puede ver con la media de la distribución
obtenida con el conjunto de mediciones. En
00:09:59
este caso se ve con un sesgo o desviación
de -6.7g.
00:10:05
Si ajustamos o corregimos este valor en el
instrumento, ahora la media de las lecturas
00:10:10
dará el valor de 1kg, cuestión que con las
muestras actuales ocurre con una probabilidad
00:10:15
sumamente baja al grado de ser considerado
un valor atípico.
00:10:19
No hay que olvidar que incluso un patrón
o referencia tiene una incertidumbre asociada
00:10:24
que debe ser mucho más pequeña que la del
instrumento que se va a calibrar. Esta incertidumbre
00:10:30
también se puede ver afectada por diversos
factores que pueden ser ambientales, como
00:10:34
en el caso de la temperatura, o de otro tipo
como el tiempo mismo, cuestión conocida como
00:10:40
deriva, por lo que siempre es importante buscar
un instrumento con alto grado de estabilidad.
00:10:46
Hablando de incertidumbres, la Guía para
la expresión de la incertidumbre en la Medición
00:10:50
establece que, para las medidas obtenidas
directamente a partir del uso del instrumento
00:10:55
de medición, existen dos tipos de incertidumbre.
La primera es la tipo A y se obtiene a partir
00:11:01
de la desviación estándar de una serie de
muestras, tal y como en el ejemplo anterior.
00:11:07
En caso de que no sea posible realizar esa
serie de mediciones, es posible utilizar la
00:11:12
tipo B que puede basarse en características
o conocimientos que tengamos del instrumento
00:11:17
y que se pueden encontrar en su hoja de datos,
especificaciones o certificado de calibración.
00:11:23
Una situación especial es cuando realizo
la serie de lecturas y estas presentan una
00:11:27
dispersión menor a la considerada por las
características de mi instrumento. A pesar
00:11:32
de esto, no puedo decir yo que la incertidumbre
sea cero o tan pequeña, por lo que utilizaré
00:11:38
la incertidumbre tipo B. En ocasiones, dependiendo
del instrumento, el valor de incertidumbre
00:11:44
puede ser la mitad de la mínima escala o
resolución de este.
00:11:48
Cuando la medición es indirecta, es decir
que se obtiene al aplicar operaciones matemáticas
00:11:53
una o varias mediciones directas, es necesario
realizar la propagación de la incertidumbre.
00:11:59
Ahora bien, ya que tengo mis mediciones, es
posible hacer uso de ellas para 3 aplicaciones:
00:12:06
Para monitorear un proceso en donde sólo
me interesa tener un indicador para ver la
00:12:11
lectura en ese momento.
Para realizar análisis de los datos que obtuve
00:12:16
y registré de un experimento.
Y finalmente para controlar un proceso en
00:12:22
donde la medición me permitirá tener una
retroalimentación para ajustar las entradas
00:12:27
de ese proceso y que se comporte como lo requiera.
Es importante comentar que además de las
00:12:33
organizaciones que ya mencionamos existen
otras nacionales e internacionales que también
00:12:38
están relacionadas con normatividad. De forma
particular, entre las organizaciones de normatividad
00:12:44
nacional están ANSI en Estados Unidos, DIN
en Alemania, y que quizás conocerán por
00:12:50
el riel de montaje, y finalmente la DGN en
México, todas estas afiliadas a la ISO. Otras
00:12:57
sumamente conocidas son el IEEE al que le
debemos la definición del WiFi en el protocolo
00:13:04
802.11 o la NEMA conocida, entre otras cosas,
por las especificaciones de tamaño de motores
00:13:10
a paso.
00:13:11
Para terminar, me gustaría comentar algunos
datos que podrían resultar interesantes.
00:13:18
El primero es que la búsqueda de estandarización
tiene como punto importante la Revolución
00:13:23
francesa, cuando se implementó el sistema
métrico decimal propuesto años antes por
00:13:28
científicos como Lavoisier.
El segundo es que al igual que la ISO y la
00:13:33
IEC, muchas otras organizaciones internacionales
se encuentran en Ginebra, ciudad y cantón
00:13:38
suizo parte de la región francófona conocida
como Romandía.
00:13:43
El tercero es que los idiomas oficiales de
la ISO son inglés, francés y ruso, pero
00:13:48
sus siglas no corresponden a ninguno de estos
idiomas, pues ISO proviene del prefijo griego
00:13:54
“isos” que significa igual, algo sumamente
acorde a su función.
00:13:59
El cuarto es que el científico alemán Max
Planck propuso algunas de las constantes universales
00:14:05
hace más de 100 años y que hoy definen al
nuevo sistema internacional.
00:14:10
Finalmente les dejo un par de preguntas que
están relacionadas con datos curiosos.
00:14:16
Espero que este video les haya gustado y nos
vemos en el siguiente.
