Incertidumbre de la medición

¿Qué es la incertidumbre de la medición?

La incertidumbre del resultado de una medida refleja la falta de conocimiento sobre el verdadero valor del mensurando.

En el campo de la metrología, la incertidumbre es un parámetro no negativo que caracteriza la dispersión de los valores atribuidos a un mensurando, a partir de la información que se utiliza (VIM, Vocabulario internacional de metrología).

Según la definición de la Guía para la Expresión de la Incertidumbre de Medida GUM, la incertidumbre es el “parámetro asociado al resultado de una medida, que caracteriza la dispersión de los valores que razonablemente pueden ser atribuidos al mensurando”.

En términos generales, al realizar una medición o una serie de mediciones siempre se obtiene un valor que no es verdadero, es decir, existe una incertidumbre sobre qué tan verdadero es o no el valor obtenido en la medición. Esta incertidumbre se expresa como un valor asociado a esa medición o serie de mediciones y que se debe cuantificar. Teniendo en cuenta que siempre existe un margen de duda en cualquier medición, es necesario saber cuán grande es ese margen. Por ello, a la hora de expresar el resultado de la medición de una magnitud física, es necesario dar alguna indicación cuantitativa de la calidad de dicha medición, o, de la confianza que se tiene en la misma, el cual establece qué tan seguros estamos de que el “valor verdadero” está dentro de ese margen.

Ese resultado de la medición se debe expresar, generalmente, como un valor medido único y una incertidumbre de medida que se expresa como un intervalo, «±». Un certificado de calibración de un laboratorio acreditado debe siempre expresar el resultado de las mediciones de esa manera. Por ejemplo: Si la estimación del resultado medido más probable (y) como de la incertidumbre (U) se han realizado correctamente, la probabilidad de que el valor verdadero de esa magnitud física medida se encuentre en el intervalo y ± U será elevada (normalmente de un 95%).

Si decimos que la longitud de cierta barra mide 20 cm (y), más o menos ± 1 cm (U), con un 95% de confianza, podemos expresarlo así: 20 cm ± 1 cm, con un nivel de confianza del 95%. Esto significa que en 95 de cada 100 mediciones la longitud de la barra está comprendida entre 19 y 21 centímetros.

La incertidumbre suele confundirse con el error de medida.

• Error: Diferencia entre un valor medido y el valor convencionalmente verdadero, del objeto que se está midiendo.
• Incertidumbre: Cuantificación de la duda que se tiene sobre el resultado de esa diferencia obtenida en la medición.

Cuando sea posible, tratamos de corregir los errores conocidos, pero cualquier error del cual no se conozca su valor, es una fuente de incertidumbre.

Tipos de incertidumbre

Según la GUM podemos agrupar las componentes de incertidumbre en dos categorías según el método de evaluación; “tipo A” y “tipo B”. La clasificación en tipo A y tipo B no implica ninguna diferencia de naturaleza entre las componentes de estos tipos, consiste únicamente en dos formas diferentes de evaluar las componentes de incertidumbre, y ambos se basan en distribuciones de probabilidad.

• Tipo A: Son las obtenidas de datos estadísticos.
• Tipo B: Son las obtenidas de datos científicos o de otras fuentes.

¿Cómo se estima o cuantifica la incertidumbre?

Explicar matemáticamente cómo se estima la incertidumbre de la medición no podríamos expresarlo aquí. La GUM le da un tratamiento demasiado amplio y bastante complicado sobre cómo estimarla. Se requieren conocimientos extensos de estadística y matemáticas, pero podemos aclarar cómo se compone la incertidumbre.

En una serie de mediciones existen varios factores y/o fuentes que contribuyen a la estimación de la incertidumbre. Cada duda que se pueda tener y cuantificar relacionada puntualmente con una medición realizada y que afecte el resultado de la medición es fuente de incertidumbre.

En este orden de ideas tendríamos fuentes de incertidumbre relacionadas con el objeto que se va a medir, con la medida de referencia o patrón y con la medición realizada. Adicionalmente, también se puede generar incertidumbre por el laboratorio donde se realiza la medición y el lugar donde se realiza la medición. A partir de ello, las fuentes de incertidumbre en la calibración de un manómetro pueden ser las siguientes (y decimos pueden ser porque no es ley que las que se mencionan a continuación sean las únicas).

Un laboratorio puede generar e identificar diferentes fuentes de incertidumbre.

Fuentes de incertidumbre relacionadas o atribuidas con el instrumento a calibrar:

a. La resolución.

b. Desviación del cero.

Fuentes de incertidumbre relacionadas o atribuidas con la medida de referencia o patrón:

a. Incertidumbre del patrón.

b. Deriva del patrón.

Fuentes de incertidumbre relacionadas o atribuidas a la calibración realizada:

a. Repetibilidad según DKD R6-1.

b. Histéresis según DKD R6-1.

c. Reproducibilidad según DKD R6-1.

Fuentes de incertidumbre relacionadas o atribuidas al lugar donde se realiza la calibración:

a. Condiciones ambientales.

Fuentes de incertidumbre relacionadas o atribuidas al laboratorio que realiza la calibración:

a. Diferencia de columnas del banco de pruebas.

b. Reproducibilidad del laboratorio según ensayos de aptitud.

Cada una de estas fuentes de incertidumbre se le da un tratamiento o se evalúan de forma diferente dependiendo si son del Tipo A o Tipo B.

• Tipo A: La incertidumbre se determina mediante el análisis estadístico de una serie de observaciones. En este caso, la incertidumbre típica es la desviación típica experimental de la medida, que se deriva de un procedimiento promediado o de un análisis de regresión.
• Tipo B: La incertidumbre típica se evalúa mediante un procedimiento distinto al análisis estadístico de una serie de observaciones. En este caso, la estimación de la incertidumbre típica se basa en otros conocimientos científicos.

Todas ellas se deben combinar en lo que se llama incertidumbre combinada, la cual es una estimación de la desviación estándar igual a la raíz de la varianza total obtenida por combinación de todos los componentes de la incertidumbre.

Luego de dicha combinación se debe expandir esa incertidumbre, a esta se le llama incertidumbre expandida: Proporciona el intervalo en el cual el valor de la medida se encontrará con un alto nivel de confianza. Se obtiene por la multiplicación de la incertidumbre estándar combinada por un factor de cubrimiento, dicho factor es basado en el nivel de confianza deseado. Para un nivel de confianza del 95%, k es 2.

¿Para qué sirve la incertidumbre de la medida?

Muchas son las ventajas de tener en cuenta la incertidumbre de la medición. Estimar la incertidumbre de la medición permite tener un conocimiento más acertado del estado de los instrumentos de medición que utilizamos y de la confianza en sus mediciones.

• Permite tomar decisiones.
• Da más sentido al resultado de una medición.
• Aumenta el conocimiento sobre el método usado.
• Proporciona información sobre el resultado del trabajo de un laboratorio. Con esta información se añade valor y significado al resultado de un laboratorio.
• Se obtiene confiabilidad y credibilidad y se conocen los procesos de forma profunda, lo que optimiza los procedimientos. Ninguna medición es exacta 100%, por lo que protege de la inexactitud y de las falsas mediciones.
• Representa exactitud científica y confiabilidad de los resultados analizados.
• Aporta un intervalo de valores probables en los que puede encontrarse el valor verdadero de un resultado, lo que confirma que ningún resultado posee valor único.

Puntos clave de la incertidumbre de la medición

Existen varios puntos clave al momento de determinar, estimar e identificar las fuentes de incertidumbre en una serie de mediciones.

Para tener en cuenta:

• El instrumento para calibrar: Es importante tener en cuenta, sobre todo, el estado del instrumento que se va a calibrar. Un mal funcionamiento podría ocasionar fuentes altas de incertidumbre como la histéresis y la repetibilidad. Además de esto, en un manómetro analógico se debe saber determinar, según la normatividad de DKD R6-1 la resolución del manómetro para evitar fuentes de incertidumbre altas.
• El patrón con que se va a calibrar: La idoneidad del patrón seleccionado para dicha calibración. La deriva e incertidumbre arrojada del patrón puede ocasionar incertidumbre expandidas altas. Esto se puede anticipar calculando el TUR, que generalmente debe ser con valor de 3:1, al momento de seleccionar el patrón.
• Condiciones ambientales: Se debe tener en cuenta, sobre todo, la temperatura. Mantener las condiciones ambientales controladas nos puede ayudar a minimizar la incertidumbre.
• Ensayos de aptitud: Los ensayos de aptitud nos pueden ayudar a saber cómo estamos en competencia técnica comparados con otros laboratorios y resultado de estos a estimar una incertidumbre lo más baja posible.
• La incertidumbre no es un error: Importante tener claro estos conceptos. Si confundimos error con incertidumbre caemos en la mala práctica de tratar la incertidumbre con el error, es decir corregir lecturas con el valor de dicha incertidumbre. La incertidumbre no se debe sumar al resultado para hacer correcciones de lectura.
• La competencia del personal: Muy importante la competencia técnica y formación del personal encargado de realizar las mediciones y de estimar luego la incertidumbre. Al realizar las mediciones se pude incurrir en repetibilidades e histéresis altas con personal no idóneo para tal tarea.