[0:01]Pocas cosas están tan presentes en nuestra vida cotidiana como las mediciones. Las tomamos en cuenta cuando compramos productos en el supermercado, las realizamos al preparar nuestra receta favorita en cuanto a la cantidad de cada ingrediente y el tiempo que toma cada paso. Aunque la mayoría de las veces, hacemos uso de ellas, pues gran parte de la tecnología a nuestro alrededor realiza una infinidad de mediciones para facilitar nuestras actividades. Hola, mi nombre es Israel y hoy hablaremos de metrología.
[0:37]Metrología significa ciencia de la medición y sus aplicaciones. Es decir, que es un área del conocimiento que se enfoca en el estudio de los aspectos teóricos y prácticos de las mediciones. De esta definición, surge una pregunta sumamente importante: ¿Qué es una medición? Medición es el proceso de obtener experimentalmente la magnitud física de un objeto o fenómeno (mesurando) al compararlo con una unidad de referencia. Y el dispositivo que utilizamos para realizar esta comparación, se llama instrumento de medición. Ahora es necesario saber cuáles son estas magnitudes físicas y cuáles son sus unidades de referencia, y para ello, tenemos que hablar del BIPM. El Bureau International des Poids et Mesures o en español, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, un organismo que surge en 1875 a partir de la Convención del metro y cuya sede está a las afueras de París. El BIPM está a cargo de algo que seguramente todos ustedes conocen: el Sistema Internacional de Unidades, el famoso SI, que es justamente en donde se definen las siete magnitudes físicas fundamentales y sus unidades de base correspondientes. En él encontramos a la masa, cuya unidad de base es el kilogramo, la longitud con el metro, el tiempo con el segundo, la corriente eléctrica con el amper, la temperatura termodinámica con el kelvin, la cantidad de sustancia con el mol y finalmente la intensidad luminosa con la candela. Como dato importante, a partir de mayo del 2019 todas las unidades de base se definen a partir de siete constantes universales. Es decir, que están presentes en la naturaleza y que nunca cambian. Antes de esto, algunas de las unidades fundamentales se definían a partir de lo que se conoce como patrón. Por ejemplo, para el kilogramo el BIPM usaba un cilindro de aleación platino-iridio y con él definía lo que era el prototipo internacional del kilogramo, el IPK. Ahora bien, si combinamos estas unidades de base a partir de multiplicaciones y divisiones, podemos obtener lo que se conoce como unidades derivadas. Algunas de estas pueden tener un nombre específico, como el caso de la carga eléctrica que tiene como unidad el coulomb y resulta del ampere segundo. Por otro lado, la unidad de área no tiene un nombre específico y es únicamente metro cuadrado. Otro aspecto clave que definitivamente no hay que olvidar, es que el Sistema Internacional de Unidades hace uso de prefijos que representan múltiplos y submúltiplos decimales de las diferentes unidades. Por ejemplo, puedo medir el tiempo de activación de un transistor en nanosegundos, el peso de un insecto en microgramos o la distancia de mi casa a la universidad en kilómetros. Además de representar a la comunidad metrológica internacional, el BIPM también se asegura de lo que se conoce como trazabilidad, concepto que se puede ver de la siguiente manera. Si yo tengo un instrumento de medición y quiero asegurarme de que su lectura es adecuada, lo puedo llevar a algún laboratorio que lo certifique. Para ello, ahí van a comparar la lectura de mi instrumento con la de algunos patrones de medición o referencias confiables. El proceso de cuantificación de la desviación de mi instrumento respecto a su referencia se conoce como calibración. Una vez conocido este valor, si está fuera de algún rango de tolerancia especificado, se puede realizar el ajuste del instrumento. A su vez, las referencias y procedimientos de estos laboratorios son calibrados y acreditados por organizaciones de cada país, quienes manejan el estándar nacional o primario. Por ejemplo, el Centro Nacional de Metrología en México, el National Institute of Standards and Technology en los Estados Unidos, o el Physikalisch-Technische Bundesanstalt en Alemania. Finalmente, el BIPM también se asegura de que los procedimientos y referencias de estos organismos nacionales sean adecuados y confiables, con lo cual provee un estándar internacional. En resumen, esto significa que se puede validar que toda medición está referenciada a partir de una cadena de comparaciones o calibraciones a un patrón o estándar en donde el de mayor jerarquía es justamente el sistema internacional del BIPM. Como resultado, es posible tener confianza de que 1 m es igual aquí y en China, un aspecto que permite comercio justo e incluso cooperación en proyectos, pues se tendrá una especie de lenguaje universal, o en otras palabras, un estándar invariante en el tiempo y espacio. Hablando de estándares, resulta que este proceso de calibración y trazabilidad está definido por la norma ISO diagonal IEC 17025. Seguramente han escuchado ISO antes por la famosa certificación ISO 9001, que se refiere a los sistemas de gestión de calidad y que también requieren de este proceso. La ISO es la Organización Internacional de Normalización, mientras que la IEC es la Comisión Electrotécnica Internacional y ambas tienen su sede en Ginebra, Suiza. Además de estos conceptos, existen otros que son fundamentales al hablar de metrología y estándares, como es el caso de la exactitud, la precisión y la incertidumbre, que también se encuentran definidos de forma oficial en diferentes documentos y normas. Entre los más importantes, están el Vocabulario Internacional de Metrología y la Guía para la Expresión de la Incertidumbre en la Medición. Ambos documentos redactados por el Comité Conjunto de Guías en Metrología y en los que se basa la Guía 99 de la ISO y de la IEC. A su vez, las normas ISO 3534, ISO 5725 o la IEC 60050 profundizan en estos conceptos. Ahora los veremos aplicados en un breve ejemplo. Imaginemos que quiero obtener la masa de un objeto y para ello utilizo un instrumento de medición que me indica el valor en kilogramos con una resolución de gramos. Empiezo a tomar lecturas de ese objeto con mi instrumento y observo los siguientes valores marcados en azul, mientras que también obtengo la media o promedio acumulado, que pueden ver en naranja. El primer aspecto que se puede notar es que los valores observados tienen variabilidad, es decir, que el instrumento no presenta siempre la misma lectura. Pero al aumentar el número de muestras, este promedio se estabiliza, concepto que en probabilidad se establece en la Ley de los grandes números. Aún cuando ya me es posible inferir algunas de las características de mis datos, resulta sumamente útil hacer uso de herramientas de visualización que hagan más claros otros parámetros de interés. Y la primera de la que hablaremos es el diagrama de caja. Este diagrama nos permite ver la mediana, los valores máximos y mínimos, la concentración de los datos en términos del rango intercuartil y los valores atípicos. Comúnmente llamados por su nombre en inglés, outliers. Es importante identificar las causas de los outliers, pues si son atribuibles a una falla en la toma de la lectura o se trata de casos extremos fuera de la tendencia de los datos, se pueden descartar. La segunda visualización es el histograma. En él podemos observar los datos o intervalos de datos que más frecuentemente se presentan, aspecto que se relaciona con la moda. Aunque estas frecuencias de aparición también nos permiten determinar si podemos aproximar una función de densidad de probabilidad. En el caso de que esta función siga la distribución normal o gaussiana, como en la imagen, nuevamente podemos obtener la media. Pero también una medida de dispersión sumamente útil, la desviación estándar. Como paréntesis, la media, la moda y la mediana se conocen como medidas de tendencia central. En este momento, ya es posible hablar de un resultado de la medición, en donde la cantidad medida será la media y la incertidumbre estará expresada a partir de la desviación estándar. La incertidumbre es un rango que indica la duda sobre la validez de la medición, en donde una menor dispersión representa una mayor confianza en el resultado, mayor calidad de la medición, mayor consistencia de los datos y una mayor precisión. Un aspecto de gran relevancia es que se puede usar un factor de cobertura que nos indica cuántas desviaciones estándar usamos para cuantificar el rango de la incertidumbre. Por ejemplo, un factor K igual a 1 implica que el 68% de mis mediciones están dentro del rango, mientras que K igual a 2 implica que el 95% lo está. Ahora imaginemos que ese objeto que estoy midiendo es un patrón de 1 kg y lo utilizo para la calibración de mi instrumento. Con esto puedo obtener el error en la medición, que es la diferencia entre mi lectura y la referencia, cuestión que se relaciona con la exactitud. Este error está compuesto por el error aleatorio y el error sistemático. El aleatorio es impredecible y tal y como la incertidumbre y la precisión, se cuantifican con la desviación estándar. En cambio, el error sistemático sí es predecible y se puede ver con la media de la distribución obtenida con el conjunto de mediciones. En este caso, se ve con un sesgo o desviación de -6.7 gramos. Si ajustamos o corregimos este valor en el instrumento, ahora la media de las lecturas dará el valor de 1 kg, cuestión que con las muestras actuales ocurre con una probabilidad sumamente baja al grado de ser considerado un valor atípico. No hay que olvidar que incluso un patrón o referencia tiene una incertidumbre asociada, que debe ser mucho más pequeña que la del instrumento que se va a calibrar. Esta incertidumbre también se puede ver afectada por diversos factores, que pueden ser ambientales, como en el caso de la temperatura, o de otro tipo, como el tiempo mismo, cuestión conocida como deriva. Por lo que siempre es importante buscar un instrumento con alto grado de estabilidad. Hablando de incertidumbres, la guía para la expresión de la incertidumbre en la medición establece que para las medidas obtenidas directamente a partir del uso del instrumento de medición, existen dos tipos de incertidumbre. La primera es la tipo A y se obtiene a partir de la desviación estándar de una serie de muestras, tal y como en el ejemplo anterior. En caso de que no sea posible realizar esa serie de mediciones, es posible utilizar la tipo B, que puede basarse en características o conocimientos que tengamos del instrumento y que se pueden encontrar en su hoja de datos, especificaciones o certificado de calibración. Una situación especial es cuando realizo la serie de lecturas y estas presentan una dispersión menor a la considerada por las características de mi instrumento. A pesar de esto, yo no puedo decir que la incertidumbre sea cero o sumamente pequeña, por lo que utilizaré la incertidumbre tipo B. En ocasiones, dependiendo del instrumento, el valor de incertidumbre puede ser la mitad de la mínima escala o resolución de este. Cuando la medición es indirecta, es decir, que se obtiene al aplicar operaciones matemáticas a una o varias mediciones directas, es necesario realizar la propagación de la incertidumbre. Ahora bien, ya que tengo mis mediciones, es posible hacer uso de ellas para tres aplicaciones. La primera es para monitorear un proceso en donde solo me interesa tener un indicador para ver la lectura en ese momento. La segunda es para realizar el análisis de los datos que obtuve y registré de un experimento. Y finalmente, la tercera es para controlar un proceso, en donde la medición me permitirá tener una retroalimentación para ajustar las entradas de ese proceso y que se comporte como yo lo requiera. Es importante señalar que además de las organizaciones que ya mencionamos, existen otras nacionales e internacionales que también están relacionadas con normatividad. De forma particular, entre las organizaciones de normatividad nacional, están ANSI en Estados Unidos, DIN en Alemania y que quizás conocerán por el riel de montaje y finalmente la Dirección General de Normas en México. Todas estas afiliadas a la ISO. Otras sumamente conocidas son el IEEE, al que le debemos la definición del WiFi en el protocolo 802.11, o la NEMA, conocida entre otras cosas, por las especificaciones de tamaño de motores a paso. Para terminar, me gustaría comentar algunos datos que podrían resultar interesantes o curiosos. El primero es que la búsqueda de estandarización tiene como punto importante la Revolución Francesa, cuando se implementó el sistema métrico decimal, propuesto años antes por científicos como Lavoisier. El segundo es que al igual que la ISO y la IEC, muchas otras organizaciones internacionales se encuentran en Ginebra, ciudad y Cantón suizo, parte de la región francófona conocida como Romandía. El tercero es que los idiomas oficiales de la ISO son inglés, francés y ruso, pero sus siglas no corresponden a ninguno de estos idiomas, pues ISO proviene del prefijo griego Isos que significa igual, algo sumamente acorde a su función. El cuarto es que el científico alemán Max Planck propuso algunas de las constantes universales hace más de 100 años y que hoy definen al nuevo Sistema Internacional. Finalmente, les dejo un par de preguntas que también están relacionadas con datos curiosos. Espero que este video les haya gustado y nos vemos en el siguiente.
