Introducción
La histéresis es una fuente de incertidumbre que afecta a muchos tipos de equipos de medición y a los resultados obtenidos. Una búsqueda rápida en internet revela numerosos estudios sobre la histéresis. Si se consultan los manuales y las hojas de datos de los fabricantes, es posible encontrar especificaciones relacionadas con ella. Sin embargo, no suele incluirse en los presupuestos de incertidumbre de los laboratorios.
Al leer muchos de los estudios disponibles, la mayoría se relacionaban con la histéresis eléctrica y el magnetismo. No fue hasta que investigué la histéresis mecánica o elástica que comencé a encontrar información útil para la mayoría de los laboratorios de calibración y ensayo.
Sin embargo, no encontrará muchos artículos que estudien específicamente los efectos en los dispositivos de medición.
Por lo tanto, decidí crear una guía sobre histéresis para laboratorios de calibración y ensayo, para que puedan tenerla en cuenta en sus presupuestos de incertidumbre (si procede).
En esta guía, aprenderá la siguiente información sobre la histéresis:
- ¿Qué es la histéresis?
- ¿Por qué es importante la histéresis?
- ¿Cuándo se debe incluir la histéresis?
- Cómo reducir la histéresis
- Fórmulas para calcular la histéresis
- Cómo realizar una prueba de histéresis
- Cómo calcular la histéresis
¿Qué es la histéresis?
Según el Diccionario Oxford de Inglés , la histéresis es el fenómeno por el cual el valor de una propiedad física se retrasa con respecto a 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 comúnmente se asocia con la pérdida de energía bajo ciclos de carga y, por lo tanto, con la amortiguación de la estructura.
Esta es la definición que más me gusta.
Para usted, esto 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 tiene esto en cuenta al realizar pruebas o calibraciones, añadirá incertidumbre adicional a sus resultados.
Si esto ocurre con sus equipos de prueba y medición y afecta los resultados de sus mediciones, es posible que 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 desconoce los efectos de la histéresis y cómo reducirlos, podría obtener resultados erróneos al realizar mediciones. Peor aún, podría estar transmitiendo este error a los resultados de las mediciones de su cliente sin que ninguno de los dos lo sepa.
En algunos casos, puede que no le parezca importante. Sin embargo, al incorporar el riesgo y el costo en la evaluación, su opinión podría cambiar.
Intenta asignar un coste a tus errores. Si tus errores de medición resultaran en una pérdida monetaria (asociada a fallos, reparaciones, tiempos de inactividad o trabajos no conformes), ¿cambiarías tu perspectiva sobre la histéresis?
¿Cambiaría su perspectiva si sus errores de medición afectaran la salud o la vida humana?
Si bien no suele ser así, conviene tener en cuenta los riesgos y las consecuencias de los errores de medición y los impactos negativos que pueden provocar. Por eso la histéresis es importante.
Si tienes curiosidad, simplemente busca información sobre histéresis en Google. Te sorprenderá la cantidad de estudios que se han publicado sobre el tema.
¿Cuándo se debe incluir la histéresis?
Considere la histéresis en su análisis de incertidumbre cuando se sepa comúnmente que afecta a su tipo de sistema de medición o que tiene un impacto en los resultados de sus mediciones.
La histéresis puede producirse en diversos tipos de equipos y sistemas de medición, incluidos:
- Equipos de medición eléctrica,
- Equipos de medición mecánica, y
- Equipos de medición termodinámica.
Revise los manuales y especificaciones del fabricante de su equipo para determinar si la histéresis podría afectar los resultados de sus mediciones. Si el fabricante no lo especifica, puede encontrar más información en los métodos de prueba o procedimientos de calibración.
Si se menciona la histéresis (y se especifica con detalle), es muy probable que sea significativa y deba incluirse en el análisis de incertidumbre. De lo contrario, puede omitirse del presupuesto de incertidumbre.
Asegúrate de investigar un poco antes de decidir si lo incluyes o no en tu análisis de incertidumbre.
Cómo reducir la histéresis
La histéresis es inevitable, pero sus efectos pueden minimizarse .
Para reducir los efectos de la histéresis, es práctica común accionar el equipo antes de su uso o calibración. Esto significa que debe cargarlo y descargarlo varias veces antes de utilizarlo.
La mayoría de los manuales de fabricación, procedimientos de calibración y métodos de prueba recomiendan esta práctica para intentar reducir los efectos de la histéresis.
Eche un vistazo a los siguientes extractos. He recopilado afirmaciones de varios manuales, métodos y procedimientos que recomiendan comprobar el funcionamiento del equipo antes de usarlo.
Manual de pruebas múltiples CDI: Calibración de la llave dinamométrica
Manual de pruebas múltiples CDI: Calibración del transductor de par
Manual del manómetro Heise CM: Uso y calibración
ASTM E74: Calibración y verificación de instrumentos de medición de fuerza
NAVAIR 17-51MP-006: Manómetros y conmutadores de presión hidráulicos y neumáticos
Si utiliza equipos que puedan verse afectados por la histéresis, puede minimizar su efecto sometiéndolos a pruebas de funcionamiento antes de su uso o calibración. Según lo expuesto anteriormente, la mejor práctica consiste en someter los equipos a pruebas de funcionamiento durante un mínimo de 3 ciclos (carga y descarga) antes de su uso.
Fórmulas para calcular la histéresis
Cuando necesite calcular la histéresis para sus presupuestos de incertidumbre, existen dos métodos que puede utilizar.
Método 1: Diferencia máxima entre aumento y disminución de escala
Este método es el más común. Lo encontrará publicado en muchos documentos, entre ellos:
- NCSLI RP-12: Determinación y reporte de incertidumbres de medición
- Manual de estadística de ingeniería NIST SEMATECH
Esta ecuación considera las diferencias entre la carga y la descarga en todo el rango de medición. La ventaja de este método es que permite hallar el error máximo de histéresis independientemente de su ubicación en el rango.
Sin embargo, el problema con este método es que se puede confundir el sesgo con la linealidad, lo que provocará una sobreestimación de la incertidumbre estimada.
Método 2: Diferencia entre escala ascendente y descendente en escala media y cero.
Este método es menos común que el primero. Lo encontré hace varios años en la Guía Técnica MSL 25: Calibración de Balanzas y decidí probarlo.
Actualmente, MSL ha sustituido esta fórmula en su Guía Técnica 25, pero sigo prefiriendo usarla en ocasiones. Me gusta este método porque tiene en cuenta los cambios en cero.
Sin embargo, solo evalúa la histéresis en el punto medio de la escala. Esto puede ser problemático, ya que la diferencia máxima no siempre se produce en dicho punto. Asegúrese de tenerlo en cuenta al usar esta ecuación.
Cómo realizar una prueba de histéresis
Realizar una prueba de histéresis no es muy difícil si se cuenta con el equipo necesario. Simplemente siga las instrucciones a continuación.
De lo contrario, es posible que ya disponga de los datos en uno de sus informes de calibración. En ese caso, no es necesario realizar esta prueba y puede proceder al análisis de los datos.
Método 1: Diferencia máxima entre aumento y disminución de escala
1. Seleccione un elemento para la prueba de histéresis (por ejemplo, una báscula, un manómetro, etc.).
2. Seleccionar el equipo para realizar comparaciones.
3. Utilice el equipo de ejercicio según sea necesario antes de la prueba.
4. Sin aplicar carga, ponga a cero la unidad bajo prueba y registre el resultado.
5. Aumente gradualmente la carga (por ejemplo, en incrementos del 10%) en la unidad bajo prueba y registre el resultado después de cada paso.
6. Disminuya gradualmente la carga (por ejemplo, en incrementos del 10%) en la unidad bajo prueba en orden inverso y registre el resultado después de cada paso.
7. Analice los resultados.
Método 2: Diferencia entre escala ascendente y descendente en escala media y cero.
1. Seleccione un elemento para la prueba de histéresis (por ejemplo, una báscula, un manómetro, etc.).
2. Seleccionar el equipo para realizar comparaciones.
3. Utilice el equipo de ejercicio según sea necesario antes de la prueba.
4. Sin aplicar carga, ponga a cero la unidad bajo prueba y registre el resultado (y Z1 ).
5. Cargue la unidad bajo prueba al 50% de la escala completa y registre el resultado (y H1 ).
6. Cargue la unidad bajo prueba al 100% de la escala completa.
7. Reduzca la carga en la unidad bajo prueba al 50% de la escala completa y registre el resultado (y H2 ).
8. Reduzca la carga a cero y registre el resultado (y Z2 ).
9. Analice los resultados.
Cómo calcular la histéresis
Si dispone de resultados de mediciones de pruebas internas o un informe de calibración, ya puede calcular la histéresis. Simplemente seleccione el método que desea utilizar para el análisis y siga las instrucciones a continuación.
Método 1: Diferencia máxima entre aumento y disminución de escala
1. Crea una tabla.
Create a table in Microsoft Excel similar to the one in the image below.
2. Ingrese sus resultados de alta gama.
Enter the results of your upscale test in the upscale column.
3. Introduzca los resultados de la reducción de escala
Enter the results of your downscale test in the downscale column.
4. Reste el resultado de escala ascendente (y escala ascendente ) del resultado de escala descendente (y escala descendente ).
5. Halla el valor absoluto del resultado del paso 4.
6. Repita los pasos 4 y 5 para cada medición con resultados tanto ampliados como reducidos.
7. Encuentra el resultado con la mayor (es decir, máxima) diferencia.
Resultado de histéresis
Método 2: Diferencia entre escala ascendente y descendente en escala media y cero.
1. Crea una tabla
2. Ingrese sus resultados de alta gama.
3. Introduzca los resultados de su reducción de escala.
4. Reste el resultado de escala ascendente (y 50%,upscale ) del resultado de escala descendente (y 50%,downscale ).
5. Reste el resultado de escala ascendente (y 0%,upscale ) del resultado de escala descendente (y 0%,downscale ).
6. Divida el resultado del paso 5 entre tres (es decir, 3).
7. Resta el resultado del paso 4 del resultado del paso 6.
Resultado de histéresis
Conclusión
La histéresis es una fuente de incertidumbre considerada importante por muchos, pero que no suele incluirse en los presupuestos de incertidumbre. Si bien existen numerosos métodos y procedimientos que ofrecen instrucciones para reducirla, lo más probable es que no se pueda eliminar por completo. Por lo tanto, conviene tenerla en cuenta en el análisis de incertidumbre e incluirla en el presupuesto de incertidumbre si procede.
Esta guía le ha proporcionado mucha información sobre la histéresis: qué es, por qué es importante y cuándo incluirla en su presupuesto de incertidumbre. Además, debería haber aprendido a realizar una prueba de histéresis y a analizar los resultados para el análisis de incertidumbre.
Con esta información, debería poder calcular fácilmente la histéresis y añadirla a sus presupuestos de incertidumbre.
