La Automatización de las Mediciones en Metrología

Autores: Rodríguez Quiroz, L.¹; Rosi, C. / Centro de Ingeniería Eléctrica y Sistemas (CIES). FIIIDT.

 

RESUMEN

La calibración automática ofrece un importante número de ventajas. Aun cuando muchas personas ven en la automatización una manera de hacer más rápido el trabajo, el beneficio más significativo con respecto a la calibración manual es la consistencia de las mediciones. Con procedimientos documentados en una base de datos de computadora, se puede asegurar que todos los operadores realizan las pruebas y colectan los resultados de la misma manera cada vez que se realiza una calibración. Adicionalmente, la automatización puede con frecuencia simplificar tareas complejas, haciendo a los operadores más productivos, bajando de esta manera los costos por calibración. Los sistemas automáticos realizan la medición, calculan el error y reportan los resultados incluyendo la prueba de relación de incertidumbre (TUR) entre la unidad bajo prueba y el patrón. En la Unidad de Ensayos y Mediciones Eléctricas (ENINSEL), el área de Metrología eléctrica desde su nacimiento fue concebida para cumplir con el propósito de automatizar tanto los procesos de calibración como de gestión del sistema de calidad (documentación de resultados, generación de reportes, etc.). En este documento se desarrollarán los dos aspectos anteriormente mencionados, desde el punto de vista de la experiencia propia de trabajo en los laboratorios de ENINSEL.

AUTOMATIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE CALIBRACIÓN EN EL LABORATORIO DE METROLOGÍA ELECTRICA DE ENINSEL

La automatización exitosa de los procesos de calibración requiere de un entendimiento de las acciones involucradas en dichos procesos y su relación con otros. Algunas de estas acciones son más apropiadas para la automatización que otras.

La primera pregunta que debe realizarse cuando se piensa en la automatización de un proceso es: ¿Está el proceso unívocamente definido? Es decir, ¿existe un procedimiento escrito u oral que determine cada paso a tomar? Cuando la respuesta es afirmativa tenemos entre manos un proceso capaz de ser automatizado en mayor o menor grado, dependiendo de los patrones que se posean y de los equipos a calibrar. Al pensar en la automatización de las mediciones en un laboratorio, es necesario que tanto la Dirección como el personal técnico identifiquen las partes del proceso que son susceptibles de automatización y en qué grado pueden serlo; pues se debe evitar que por desconocimiento de todas las etapas involucradas se creen islas automatizadas incompatibles entre sí (ya sea por software o hardware).

Una primera etapa consiste en la automatización hecha a partir de software comercial, de uso común en el manejo de la documentación asociada con el laboratorio: certificados, cálculo de incertidumbres de medición, base de datos de clientes y equipos. Este primer paso siempre es factible en cualquier laboratorio, sin importar el tamaño del mismo y las magnitudes físicas que maneje. La segunda etapa es un algo más compleja, pues implica realizar una evaluación del tipo de patrones que tiene el laboratorio y sus posibilidades de comunicación con sistemas informáticos; en otras palabras, averiguar si poseen algún tipo de protocolo de comunicación (RS-232, IEEE-488/GPIB, HART, USB, etc.). Esto permitirá el manejo de dicho instrumento a través de una computadora, en la cual podrá generarse un código o programa que represente el procedimiento de calibración indicado para cada Equipo Bajo Prueba (EBP) o equipo a calibrar.

Si se tiene el patrón y algún protocolo, ya se está en capacidad de automatizar las acciones del procedimiento que dependen de ese equipo. Pero, ¿Es ésta una automatización completa? Pues la respuesta es no, porque no sólo es necesario que el patrón posea un protocolo, sino que el EBP también, para poder hablar de completitud en la automatización (en el caso de medidas de longitud, por ejemplo, este segundo caso no aplica). Lo anterior da parámetros para saber si un laboratorio es factible de ser automatizado y en qué grado. Se pueden establecer 3 niveles de automatización: documentación, patrones usados y equipos calibrados. En el primero, sólo asumimos que están incluidos los procesos de documentación (manejo de historial de equipos, cálculo de incertidumbres, certificados, etc.); en el segundo se asume que se puede controlar y recibir información de los patrones; y el tercer nivel consiste en que ambos, patrón y EBP, puedan enviar y recibir información.

Las calibraciones automatizadas dependen fuertemente de la existencia de computadores en el laboratorio y de la disponibilidad de protocolos del mismo (tarjetas GPIB, puertos RS-232). Existe una gran cantidad y variedad de software comercial que puede ser usado tanto para el acto de la calibración en sí mismo (software de calibración), como para el manejo eficiente de las actividades asociadas con la documentación (software de manejo documental).

El software de calibración es el encargado de efectuar la calibración, controlar los patrones y/o equipos a calibrar por medio de un computador. Se debe distinguir entre 3 posibles casos que se pueden observar aquí: manual guiada por el computador, patrón automatizado y lazo cerrado. El primero corresponde a aquellos en los cuales, aunque el patrón y el EBP no pueden ser controlados en sí mismos, los pasos a efectuar durante la calibración son guiados por el software, efectuados por un operador, el cual también introduce los datos correspondientes al patrón y al EBP, almacenando los mismos para su uso posterior (generación de certificados, reportes, etc.). En el segundo caso el computador se encarga de controlar el patrón, y el EBP de generar los estímulos almacenando los mismos. El operador se limitaría a hacer mediciones visuales porque la configuración de los equipos está regulada por el computador. Esto asegura una mayor reproducibilidad al asegurar consistencia cada vez que se calibre usando ese programa, limitando la injerencia humana, y por ende los errores.

Como última consideración tenemos el lazo cerrado (Closed-Loop), que corresponde al estado del arte en cuanto a calibraciones automatizadas, el cual permite conectar el patrón y el EBP al computador e interconectarlos entre ellos para luego dejar que el programa se encargue de ajustar configuraciones, colocar estímulos, tomar lecturas, almacenarlas para su posterior uso (generación de reportes y certificados de calibración) y ajustar el equipo, si se requiere. La mayoría de las calibraciones de este tipo involucran multímetros digitales (DMMs) debido a que las lecturas se pueden transferir fácilmente al computador para ser procesadas. Otro requisito que debe cumplir el EBP es la habilidad de ser ajustado sin necesidad de manipulación interna del mismo por parte del operador (por ejemplo, potenciómetros), los ajustes son vía hardware (almacenamiento de nuevas constantes del sistema en EPROM). Este tipo de automatización es la que permite el uso más eficiente del tiempo y de los recursos y por esa razón una gran cantidad de equipos hoy en día poseen esta cualidad.

El software para manejo documental se encarga de proveer los documentos y los registros que sirven como evidencia del sistema de calidad implantado y del cumplimiento de la trazabilidad de las mediciones, además de llevar un control de las calibraciones vencidas, equipos fuera de tolerancia, reparaciones, costos, etc.

Evidentemente mientras más sofisticado es un Sistema Automatizado (SA) más costosa es su implementación, y esos costos no siempre son justificables en virtud del aumento de la eficiencia. Por esta razón es que se deben evaluar todas las opciones disponibles tanto para el software (existen sistemas de bases de datos para manejo documental que se pueden obtener gratis por Internet) como para el hardware, ya que todos los computadores poseen puertos RS-232 por defecto y los patrones pueden ser comprados con este protocolo por un precio menor que otros. Este protocolo también puede ser automatizado gracias a lenguajes de programación menos costosos, aunque más difíciles de usar.

Concluyendo, se puede decir que, con un computador básico, sin tarjetas adicionales y con el uso de lenguajes de programación poco costosos (y a veces gratuitos) es posible comenzar a automatizar un laboratorio que posea patrones con protocolo RS-232 que es el menos oneroso y más abundante en equipos antiguos. En el otro extremo se encuentran los SA que constan de estaciones de trabajo con tarjetas GPIB, servidores para el respaldo de la información vital, patrones con protocolo GPIB, software comercial especializado diseñado especialmente para efectuar las calibraciones y el soporte documental necesario para respaldar un sistema de calidad que garantice la veracidad y competencia del laboratorio en cuestión. Como siempre, los recursos y la necesidad son los que definen los alcances de un SA y su implementación en un laboratorio.

En las figuras se presentan dos aspectos del laboratorio de Metrología Eléctrica de ENINSEL. En la Fig.3a se muestra una vista general de la conexión IEEE-488 de un calibrador FLUKE 5500, multímetros HP3458 y HP34401 y un computador IBM compatible. En la Fig. 3b se muestra la ejecución de una calibración en este ambiente.