Introducción

La comparación de multímetros digitales (DMM) se realiza con el propósito de comparar las capacidades de medición de los laboratorios que ofrecen calibraciones de multímetros a sus clientes, o las utilizan en sus procesos para mejorar sus métodos de calibración. Además, amplía la colaboración metrológica que ha existido recientemente entre los laboratorios que hacen calibraciones en variables de corriente directa y baja frecuencia y el Laboratorio Metrológico de Variables Eléctricas (LMVE).

El nivel de experiencia de los laboratorios participantes era muy variado. Algunos realizan calibraciones de manera rutinaria, mientras que otros no tenían experiencia previa, y en esta oportunidad calibraron un multímetro por primera vez. Por esta razón, a cada participante se le permitió seleccionar su propio método de calibración, basado en la instrumentación y la experiencia disponibles. Cada participante también fue responsable de realizar su propia estimación de la incertidumbre de medición, utilizando métodos coincidentes con los descritos en la Guía para la Incertidumbre de la Medición (GUM) ^{[1] [2]}.

El LMVE fue el laboratorio piloto para la comparación. El cuadro 1 muestra los laboratorios participantes y los contactos técnicos.

Programación y logística de la comparación

Para la circulación del multímetro patrón se propuso un circuito de traslado adecuado entre los laboratorios participantes y el laboratorio piloto, que consistió en las mediciones intermedias del LMVE tras la medición de dos participantes, con el fin de obtener una verificación del valor del patrón de manera periódica tras la movilización a lo largo de la ronda de la comparación.

Como parte del tiempo de medición, se consideraron el tiempo requerido para la estabilización y mediciones en cada laboratorio, así como el tiempo para el transporte adecuado. Los participantes cumplieron con la agenda acordada, de manera que los tiempos estimados se consideran adecuados para el ejercicio en cuestión.

El cuadro 2 muestra la programación de mediciones, en la que se puede ver que el LMVE efectuó sus mediciones también al inicio y al final de la comparación.

El programa se completó en el plazo esperado. Las características metrológicas del multímetro patrón viajero se mantuvieron estables durante este período, lo que permite establecer una comparación válida.

Mensurando

El mensurando se definió como el porcentaje de error del valor medido por el patrón viajero de la comparación ^[3], en función del valor aplicado por el patrón de cada participante; según se muestra en la ecuación 1:

(1)

Multímetro patrón viajero

El patrón viajero que se utilizó corresponde a un multímetro digital marca Fluke, modelo 8808 A, número de serie 9545125, identificación CSTA-0017, código I-5055, con una resolución de 5.5 dígitos, pantalla de doble modo de visualización y precisión base para tensión eléctrica dc de 0,015% (fig 1). El ICE-LMVE mantiene un historial de la estabilidad del patrón viajero en todos los puntos de la comparación.

Nota: El uso de este equipo por parte del ICE-LMVE no implica ningún aval comercial del LMVE para esta marca y modelo

Figura 1 Multímetro digital utilizado como patrón viajero 

El multímetro viajó en una caja de protección Fluke destinada para su traslado. Cada participante usó sus procedimientos normales para el transporte y entrega del equipo.

Figura 2 Multímetro en la caja utilizada para el transporte 

El LMVE usó el método de calibración por comparación directa del valor generado por el patrón (calibrador multifunción) y el valor medido por el multímetro patrón viajero.

Las mediciones realizadas por el laboratorio piloto corresponden al porcentaje de error del valor medido por el multímetro patrón viajero, relativas a los valores generados por el patrón (calibrador multifunción). Las mediciones corresponden a promedios de 10 lecturas que se realizaron cada segundo. Este método de calibración está respaldado por el alcance de acreditación vigente del LMVE ante el Ente Costarricense de Acreditación (ECA) ^[4]. La mayor contribución a la incertidumbre de la medición por el LMVE corresponde, en la mayoría de los casos, al componente por resolución del objeto bajo prueba (patrón viajero). El cuadro 3 muestra los resultados de calibración del multímetro patrón.

En el cuadro 3 se muestran datos puntuales para una calibración del LMVE al inicio de la comparación y otra al final de esta. Sin embargo, para el cálculo del valor de referencia en cada punto, el LMVE utilizó el promedio de las mediciones realizadas a lo largo de la comparación de multímetros. Los valores de referencia del LMVE están respaldados por calibraciones de sus patrones realizadas por institutos metrológicos nacionales y la participación en comparaciones internacionales del Sistema Interamericano de Metrología (SIM) ^[5], ^[6], ^[7], ^[8], ^[9].

Formato de presentación de datos y descripción de los métodos de calibración

A los participantes se les pidió presentar sus resultados utilizando el formulario que se muestra en los cuadros 4 y 5. No todos siguieron el formato y esto hizo que se omitiera alguna información. Sin embargo, la información recolectada de cada participante fue suficiente para establecer una base para la comparación.

Cada laboratorio seleccionó su método de calibración. A continuación, se describen brevemente los diferentes métodos que existen para la calibración de multímetros digitales.

Método Comparación Directa

Este es el método que se utiliza más comúnmente para calibrar multímetros digitales. Con él, se comparan directa e instantáneamente los valores proporcionados por el instrumento de medición (patrón viajero) con los valores proporcionados por un patrón (el de cada laboratorio).

Método de Calibración por Transferencia

Este procedimiento es la base de otros métodos de calibración, entre los cuales están: diferencial, relación y sustitución. En el método de calibración por transferencia se comparan los valores proporcionados por el instrumento de medición sujeto a calibración, con los valores suministrados por un patrón (valor de referencia), a través de un patrón de transferencia, incluso en diferente tiempo y lugar.

El método de calibración por transferencia incluye las mismas pruebas que los otros procedimientos, dado que las pruebas están destinadas a determinar las diferentes características metrológicas del instrumento de medición sujeto a calibración. La ventaja de este método es que no requiere forzosamente estabilidad en el sistema o mensurando, dado que con la secuencia de toma de datos y el cálculo de los errores se puede eliminar la deriva a corto plazo, que es un componente inevitable cuando las mediciones no se realizan al mismo tiempo o en forma instantánea.

Resultado de mediciones

Los resultados de la medición y la incertidumbre estimada por cada participante se muestran en el cuadro 6.

Como se ha indicado anteriormente, cada participante fue responsable de proveer su propia estimación de la incertidumbre de la medición, pero el formulario de presentación (cuadro 4) no les exigía incluir el análisis de la incertidumbre total. El análisis o cálculo de incertidumbre no se incluye en este informe, sin embargo, la mayoría de los laboratorios utiliza el método de suma de la raíz de los cuadrados de cada componente de incertidumbre ^[10]:

(2)

donde:

k = es el factor de cobertura (2 en todos los casos), es el cuadrado de la incertidumbre evaluada Tipo A (debida a la variabilidad de las mediciones) y es el cuadrado de la incertidumbre evaluada Tipo B (otras componentes).

Hay considerables variaciones en algunos de los resultados de las mediciones reportadas por los diversos laboratorios, como puede verse en las Gráficas de Resultados de los Participantes para cada valor medido (figuras 3 a 17).

Figura 3.  Figura 3.1 Resultados de los participantes en Tensión Eléctrica Directa 1 V Resultados de los participantes en Tensión Eléctrica Directa 1 V 

Figura 4 Resultados de los participantes en Tensión Eléctrica Directa 10 V 

Figura 5 Resultados de los participantes en Tensión Eléctrica Alterna 1 V @ 60 Hz 

Figura 6 Resultados de los participantes en Tensión Eléctrica Alterna 1 V @ 1 kHz 

Figura 7 Resultados de los participantes en Tensión Eléctrica Alterna 100 V @ 60 Hz 

Figura 8 Resultados de los participantes en Tensión Eléctrica Alterna 100 V @ 1 kHz 

Figura 9 Resultados de los participantes en Corriente Eléctrica Directa 10 mA 

Figura 10 Resultados de los participantes en Corriente Eléctrica Directa 1 A 

Figura 11 Resultados de los participantes en Corriente Eléctrica Alterna 10 mA @ 60 Hz 

Figura 12 Resultados de los participantes en Corriente Eléctrica Alterna 10 mA @ 1 kHz 

Figura 13 Resultados de los participantes en Corriente Eléctrica Alterna 1 A @ 60 Hz 

Figura 14 Resultados de los participantes en Corriente Eléctrica Alterna 1 A @ 1 kHz 

Figura 15.  Figura 15.1 Resultados de los participantes en Resistencia Eléctrica 10 Ω Resultados de los participantes en Resistencia Eléctrica 10 Ω 

Figura 16 Resultados de los participantes en Resistencia Eléctrica 10 kΩ 

Figura 17 Resultados de los participantes en Resistencia Eléctrica 10 MΩ 

Resumen y conclusiones

Durante el desarrollo del ejercicio de intercomparación, el patrón viajero no tuvo cambios evidentes (cambios de funcionamiento, corrimientos de valor), por lo que su comportamiento es adecuado para los fines de este ejercicio.

Para el análisis de resultados, los valores establecidos como referencia fueron los del LMVE, con las siguientes consideraciones:

La evaluación del desempeño se estimó con base en el criterio del error normalizado (cuadro 7). Los valores absolutos de error normalizado menores o iguales a la unidad indican buena compatibilidad; los valores absolutos mayores a 1 indican que el sistema de medición del laboratorio requiere mejoras.

En total, cada laboratorio analizó 15 puntos y de los 10 laboratorios participantes solo tres obtuvieron todos los puntos con valor absoluto del error normalizado menor o igual a 1. De los valores superiores a 1, cinco laboratorios obtuvieron valores absolutos del error normalizado (en algunos puntos) muy cercanos a la unidad (ligeramente superior). Dos laboratorios obtuvieron en algunos puntos valores absolutos del error normalizado más alejados de 1 (superiores).

Se evidencia que los mayores valores para el error normalizado se obtuvieron en la función de resistencia eléctrica, específicamente para el valor de 10 Ω.

Es evidente que existieron problemas de configuración del patrón utilizado para medir este valor. Existe una configuración adecuada y responde a acoples de impedancia entre algunos patrones (Fluke 5520 A) y el multímetro digital para valores de resistencia de bajo valor.

Todos los laboratorios hicieron la calibración utilizando el método por comparación directa. Para ciertos puntos, un laboratorio lo combinó con el método por transferencia. Además, algunos laboratorios dieron a conocer explícitamente que no hacen corrección del valor del error de su patrón.

Se considera que los resultados de este ejercicio de intercomparación son muy buenos para la red nacional de servicios de calibración de multímetros, ya que el 95% de los valores obtenidos en la comparación por los laboratorios participantes fue compatible con los valores de referencia.

La comparación mostró diferencias a considerar entre los participantes, para lo cual se debe tomar en cuenta que algunos laboratorios no tenían una amplia experiencia previa con calibraciones de multímetros digitales.

Se espera que en futuras comparaciones se dé un trabajo para mejorar las capacidades de calibración y medición de los participantes y fortalecer aún más la cooperación entre los laboratorios.