Cómo calcular la histéresis para su presupuesto de incertidumbre

Introducción

La histéresis es una fuente de incertidumbre que afecta a muchos tipos de equipos de medición y a sus resultados de medición asociados. Con una rápida búsqueda en Internet, encontrará muchos estudios dedicados a la histéresis. Si echa un vistazo a los manuales y hojas de datos de los fabricantes, podrá encontrar especificaciones relacionadas con la histéresis. Sin embargo, no verás la histéresis comúnmente incluida en los presupuestos de incertidumbre del laboratorio.

Cuando leí muchos de los estudios disponibles, la mayoría de ellos estaban relacionados con la histéresis eléctrica y el magnetismo. No fue hasta que busqué la histéresis mecánica o elástica que empecé a encontrar la información beneficiosa para la mayoría de los laboratorios de calibración y pruebas.

Sin embargo, no encontrará muchos documentos que estudien específicamente los efectos en los dispositivos de medición.

Por lo tanto, decidí crear una guía sobre la histéresis para los laboratorios de calibración y prueba, para que puedan considerarla en sus presupuestos de incertidumbre (si es aplicable).

En esta guía, aprenderá la siguiente información sobre la histéresis:

  1. ¿Qué es la histéresis
  2. ¿Por qué es importante la histéresis
  3. Cuándo debe incluir la histéresis
  4. Cómo reducir la histéresis
  5. Fórmulas para calcular la histéresis
  6. Cómo realizar una prueba de histéresis
  7. Cómo calcular la histéresis

Qué es la histéresis

Según el Diccionario de Inglés de Oxford, la histéresis es el fenómeno en el que el valor de una propiedad física va a la zaga de los cambios en el efecto que la causa.

Según la NASA, la histéresis es la respuesta de una estructura a la carga y descarga que se asocia comúnmente con la pérdida de energía bajo el ciclo de carga y por lo tanto la amortiguación con la estructura.

Esta es la definición que más me gusta.

Para usted, significa que el resultado de su medición al aumentar la carga, la fuerza, la presión, etc. no es el mismo que el resultado al disminuir la carga, la fuerza, la presión, etc. Si no se tiene esto en cuenta al realizar las pruebas o calibraciones, entonces se añadirá una incertidumbre adicional a sus resultados.

Si esto ocurre con su equipo de prueba y medición y afecta a sus resultados de medición, tal vez desee considerar la histéresis en sus presupuestos de incertidumbre.

¿Por qué es importante la histéresis?

La histéresis es importante porque contribuye a la incertidumbre en los resultados de las mediciones.

Si no se conocen los efectos de la histéresis y cómo reducirlos, se podrían obtener resultados erróneos al realizar las mediciones. Peor aún, podrían estar pasando este error a los resultados de las mediciones de sus clientes sin que ninguno de ustedes lo sepa.

En algunos casos, puede que no sea un gran problema para ti. Sin embargo, cuando incorporas el riesgo y el costo en la evaluación, tus pensamientos pueden cambiar.

Intenta asignar un coste a tus errores. Si sus errores de medición resultaran en una pérdida monetaria (asociada a fallos, reparaciones, tiempo de inactividad o trabajo no conforme), ¿pensaría de forma diferente sobre la histéresis?

¿Cambiaría su perspectiva si sus errores de medición afectaran a la salud o la vida humana?

Aunque no suele ser así, debe ser consciente de los riesgos y consecuencias de los errores de medición y de los impactos negativos que pueden causar. Por eso es importante la histéresis.

En caso de que tengas curiosidad, haz una búsqueda en Google sobre la histéresis. Se sorprenderá de la cantidad de estudios que se han publicado sobre el tema.

Cuándo debe incluir la histéresis

Considere la histéresis en su análisis de incertidumbre cuando se sabe comúnmente que afecta a su tipo de sistema de medición o tiene un impacto en sus resultados de medición.

La histéresis puede ocurrir en varios tipos de equipos y sistemas de medición, entre ellos:

  • Equipo de medición eléctrica,
  • Equipo de medición mecánica, y
  • Equipo de medición termodinámica.

Revise los manuales y especificaciones del fabricante de su equipo para averiguar si se cree que la histéresis tiene algún efecto en los resultados de sus mediciones. Si no está especificado por el fabricante, puede encontrar más información leyendo sus métodos de prueba o procedimientos de calibración.

Si se menciona la histéresis (y se le da su propia especificación), es muy probable que sea significativa y debería incluirse en su análisis de incertidumbre. Si no es así, es posible que pueda omitirla en su presupuesto de incertidumbre.

Sólo asegúrese de hacer alguna investigación antes de decidir si incluirla o no en su análisis de incertidumbre.

Cómo reducir la histéresis

La histéresis es inevitable, pero sus efectos pueden ser minimizados .

Para reducir los efectos de la histéresis, es una práctica común ejercitar el equipo antes de su uso o calibración. Esto significa que debe cargar y descargar su equipo varias veces antes de usarlo.

La mayoría de los manuales de fabricación, procedimientos de calibración y métodos de prueba recomiendan esta práctica en un esfuerzo por reducir los efectos de la histéresis.

Echa un vistazo a los siguientes extractos. He recopilado declaraciones de varios manuales, métodos y procedimientos que recomiendan el uso de equipos de ejercicio antes de su uso.

Manual de CDI Multitest: Calibración de Llave Dinamométrica

Manual de CDI Multitest: Calibración del transductor de par

Manual del medidor de presión Heise CM: Uso y Calibración

ASTM E74: Calibración y verificación para instrumentos de medición de fuerza

NAVAIR 17-51MP-006: Manómetros e interruptores de presión hidráulica y neumática

Si utiliza un equipo que puede verse afectado por la histéresis, puede minimizar el efecto ejercitando el equipo antes de su uso o calibración. De acuerdo con las afirmaciones anteriores, parece ser que la mejor práctica es ejercitar el equipo durante un mínimo de 3 ciclos (carga y descarga) antes de utilizarlo.

Fórmulas para calcular la histéresis

Cuando necesite calcular la histéresis para sus presupuestos de incertidumbre, hay dos métodos que puede utilizar.

Método 1: Diferencia máxima entre la escala superior y la inferior

Este método es el más común. Lo encontrará publicado en muchos documentos, incluyendo:

  • NCSLI RP-12: Determinar y reportar las incertidumbres de medición
  • Manual de estadísticas de ingeniería del NIST SEMATECH

Esta ecuación tiene en cuenta las diferencias entre la carga y la descarga en todo el rango de medición. La ventaja de este método es que se encuentra el máximo error de histéresis sin importar en qué lugar del rango se produce.

Sin embargo, el problema de este método es que puede confundir el sesgo y la linealidad, lo que le hará exagerar su incertidumbre estimada.

Método 2: Diferencia entre la escala superior y la inferior en la escala media y cero.

Este método es menos común que el primero. Lo encontré en la Guía Técnica 25 de la MSL: Calibración de Balanzas hace varios años y decidí intentarlo.

Hoy en día, MSL ha reemplazado esta fórmula en su Guía Técnica 25, pero todavía prefiero usarla a veces. Me gusta el método porque tiene en cuenta los cambios a cero.

Sin embargo, sólo evalúa la histéresis en la escala media. Esto puede ser un problema, ya que la diferencia máxima no siempre se produce en la escala media. Asegúrate de tenerlo en cuenta al usar esta ecuación.

Cómo realizar una prueba de histéresis

Realizar una prueba de histéresis no es muy difícil mientras se tenga el equipo. Sólo tienes que seguir las siguientes instrucciones.

De lo contrario, es posible que ya tenga los datos en uno de sus informes de calibración. Si es así, no es necesario realizar esta prueba. Puede proceder a analizar los datos.

Método 1: Diferencia máxima entre la escala superior y la inferior

1. Seleccione un elemento para la prueba de histéresis (por ejemplo, escala, manómetro, etc.)

2. Seleccione el equipo para hacer las comparaciones.

3. Equipo de ejercicio como sea necesario antes de la prueba.

4. Sin carga aplicada, ponga a cero la unidad bajo prueba y registre el resultado.

5. Aumente la carga (por ejemplo, incrementos del 10%) en la unidad bajo prueba y registre el resultado después de cada paso.

6. Disminuya la carga (por ejemplo, incrementos del 10%) en la unidad bajo prueba en el orden inverso y registre el resultado después de cada paso.

7. Analice los resultados.

Método 2: Diferencia entre la escala superior y la inferior en la escala media y cero.

1. Seleccione un elemento para la prueba de histéresis (por ejemplo, escala, manómetro, etc.)

2. Seleccione el equipo para hacer las comparaciones.

3. Equipo de ejercicio como sea necesario antes de la prueba.

4. Sin carga aplicada, ponga a cero la unidad bajo prueba y registre el resultado (yZ1).

5. Cargue la unidad bajo prueba al 50% de la escala completa y registre el resultado (yH1).

6. Cargue la unidad bajo prueba al 100% de la escala total.
7. Reduzca la carga de la unidad bajo prueba al 50% de la escala completa y registre el resultado (yH2).

8. Reduzca la carga a cero y registre el resultado (yZ2).

9. Analizar los resultados.

Cómo calcular la histéresis

Si tiene los resultados de las mediciones de las pruebas internas o un informe de calibración, está listo para calcular la histéresis. Sólo seleccione el método que desea utilizar para el análisis y siga las instrucciones que se indican a continuación.

Método 1: Diferencia máxima entre la escala superior y la inferior

1. Crear una tabla.

Crear una tabla en Microsoft Excel similar a la de la imagen de abajo.

2. Introduce tus resultados de alta calidad.

Ingrese los resultados de su prueba de escala en la columna de escala.

3. Introduce los resultados de la reducción de escala

Introduzca los resultados de su prueba de reducción de escala en la columna de reducción de escala.

4. Restar el resultado de la escala superior (escala yup) por el resultado de la escala inferior (escala ydown).

5. Encuentra el valor absoluto del resultado en el paso 4.

6. Repita los pasos 4 y 5 para cada medición con los resultados tanto a escala superior como inferior.

7. Encuentra el resultado con la mayor (es decir, la máxima) diferencia.

Su resultado para la histéresis

Método 2: Diferencia entre la escala superior y la inferior en la escala media y cero.

1. Crear una tabla

2. Introduce tus resultados de alta calidad.

3. Introduce los resultados de la reducción de escala.

4. Restar el resultado de la escala superior (y50%, escala superior) por el resultado de la escala inferior (y50%, escala inferior).

5. Restar el resultado de la escala superior (y0%, escala superior) por el resultado de la escala inferior (y0%, escala inferior).

6. Dividir el resultado del paso 5 por tres (es decir, 3).

7. Restar el resultado del paso 4 por el resultado del paso 6.

Su resultado para la histéresis

Conclusión

La histéresis es una fuente de incertidumbre que muchos consideran importante pero que no se incluye en la mayoría de los presupuestos de incertidumbre. Muchos métodos y procedimientos dan instrucciones para ayudar a reducir la histéresis, pero lo más probable es que no se pueda eliminar. Por lo tanto, debe tenerla en cuenta en su análisis de incertidumbre e incluirla en su presupuesto de incertidumbre si es aplicable.

Esta guía le ha dado mucha información sobre la histéresis; qué es, por qué es importante y cuándo incluirla en su presupuesto de incertidumbre. Además, deberías haber aprendido a realizar una prueba de histéresis y a analizar los resultados para el análisis de incertidumbre.

Con esta información, debería ser capaz de calcular fácilmente la histéresis y añadirla en sus presupuestos de incertidumbre.

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