Resumen: La integridad es relativa y específica de la aplicación. El coche de carreras perfecto no es el que usamos para ir al trabajo. Necesita productos de calidad, asequibles y confiables que use todos los días. A veces, tiene que usar componentes menos que perfectos, y ahí es cuando la calibración se vuelve importante. La tecnología de calibración reduce las tolerancias de los equipos de fabricación imperfectos mientras mantiene la asequibilidad.
prólogo
Otro término para una buena calibración es mano de obra de primera clase. Hubo un tiempo en que se formaron gremios para difundir la artesanía de calidad. Los aprendices trabajan durante años para desarrollar sus habilidades físicas. Un artesano hábil puede dedicar su vida a tallar hábilmente madera y piedra, forjar hierro o tallar cerámica para crear hermosos edificios, obras de arte o monumentos.
Algunos dirían que hoy en día somos más utilitarios, pero los dispositivos de consumo mundanos son obras de arte asombrosamente bellas y prácticas. En aproximadamente 60 años, la humanidad ha pasado de computadoras de tubo que llenan habitaciones a transistores, computadoras portátiles, teléfonos inteligentes, tabletas y lectores electrónicos. Estamos constantemente disgustados en lugar de asombrados. Aceptamos estas maravillas como sucesos cotidianos.
Insistimos en productos de calidad que requieren equipos de fabricación precisos. Al mismo tiempo, el equipo debe ser asequible. ¿Cómo puede un fabricante ofrecer un instrumento “perfecto” a un precio justo?En una palabra: calibración. La calibración electrónica permite la calibración y prueba remotas de dispositivos de campo como sensores, válvulas y actuadores en la fábrica. También permite la creación de muchos dispositivos de consumo de bajo costo.
Todos los componentes físicos mecánicos y electrónicos tienen tolerancias de fabricación. Cuanto menor sea la tolerancia, más asequible será el componente. Sin embargo, cuando los componentes se ensamblan en un sistema, las tolerancias individuales se suman para crear la tolerancia general del sistema. El diseño adecuado de los circuitos de compensación, ajuste y calibración puede corregir estos errores del sistema y hacer que el equipo sea seguro, preciso y asequible.
Una calibración es una corrección (ajuste) que compara el rendimiento de un instrumento con un estándar de precisión conocida y minimiza el error. Los componentes de tolerancia asequibles le permiten producir productos que superan las expectativas normales. La calibración tiene muchos beneficios y puede ahorrar costos en varias áreas. La calibración se puede utilizar para eliminar tolerancias de fabricación, especificar componentes menos costosos, aumentar la confiabilidad y la satisfacción del cliente, reducir el tiempo de prueba y las devoluciones de los clientes, y acelerar la entrega del producto.
Calibración del mundo real
Un truco publicitario común utilizado por los talleres de reparación de automóviles muestra la importancia de una calibración cuidadosa. Un representante de la tienda se vuelve hacia la audiencia cuando un automóvil se acerca por detrás. El vehículo cruje al detenerse varios segundos antes de impactar al empleado. Los empleados expresan su confianza en los frenos y en el desempeño de la empresa con las palabras “Estamos a la vanguardia de nuestro trabajo”. Tome una decisión rápida para confiar en los productos y servicios de la empresa.
Se puede encontrar otra historia que destaca el uso de la calibración en el libro Experiment and Measurement¹ del Dr. WJ Youden.
En 1890, el científico británico Lord Rayleigh emprendió un estudio comparando el nitrógeno obtenido del aire con el nitrógeno liberado al calentar nitrito de amonio. Quería comparar las densidades de los dos gases. Es decir, peso por unidad de volumen. Hizo esto llenando válvulas de volúmenes cuidadosamente determinados con cada gas por turno bajo condiciones estándar: presión a nivel del mar de 0 grados Celsius. El peso del nitrógeno es el peso del tanque lleno menos el peso del tanque sin nitrógeno. Un único pesaje de nitrógeno atmosférico fue de 2,31001 gramos. Otra medida de nitrógeno del nitrito de amonio arrojó 2,29849 gramos. La diferencia 0.01152 es pequeña. Sir Rayleigh se enfrentó a un problema: ¿La diferencia es un error de medición o existe una diferencia real en la densidad? Según el conocimiento químico existente, no debería haber diferencia en la densidad. Se hicieron varias mediciones adicionales en cada gas, y Sir Rayleigh encontró que sus datos eran evidencia convincente de que las pequeñas diferencias en las densidades observadas excedían el error experimental de medición y, por lo tanto, de hecho estaban presentes. Esto plantea el interesante problema científico de encontrar razones para el error observado. diferencias de densidad Investigaciones posteriores llevaron a Sir Rayleigh a concluir de manera concluyente que el nitrógeno en el aire contiene gases más pesados que el nitrógeno, hasta ahora desconocidos y no eliminados por otros medios conocidos de eliminación de gases.Bajo esta suposición, aisló inmediatamente el elemento gaseoso argón. Entonces se descubrió toda una familia de gases nobles cuya existencia ni siquiera se sospechaba. Una pequeña diferencia en la densidad que se evaluó cuidadosamente como no accidental condujo a un descubrimiento científico muy importante.
El número de invenciones y descubrimientos hechos posibles por científicos cuidadosos y observadores que utilizan instrumentos confiables es inconmensurable. No podemos escapar al hecho de que la calibración es una parte importante de nuestras vidas.
¿Absolutamente perfecto o suficientemente bueno?
Pocas cosas son completamente perfectas. Incluso si invirtieras mucho dinero en autos de carreras profesionales, ¿serían perfectos? ¿Quieres conducir tu auto para comprar comestibles con tus hijos? ¿Puedes cubrir los costos de combustible? Por supuesto, entiendo que “uso específico” se aplica a los automóviles.
Del mismo modo, ¿cuándo es “lo suficientemente bueno” realmente lo suficientemente bueno?De nuevo, depende de la aplicación. Al comprar un litro de leche, cuenta una porción de 1 onza. Por el contrario, la cantidad de agua potable en un embalse con millas de costa se mide en millones o miles de millones de galones.
Las mediciones electrónicas también son específicas de la aplicación, con requisitos de tolerancia muy variables para los equipos de laboratorio. Una forma de construir instrumentos electrónicos para el laboratorio es usar piezas de tolerancia muy estrecha para todos los componentes. Este costo extra puede estar justificado dependiendo de la aplicación. Sin embargo, se puede usar otro método para lograr la precisión deseada a un costo menor. Este segundo método, que usa calibración, da como resultado un instrumento más preciso. Este instrumento está fabricado con componentes de nivel de tolerancia asequibles. Estas tolerancias se calibran ajustando el instrumento mientras se compara con un estándar de confianza.
Un diagrama simple es un circuito que consta de cuatro amplificadores (Figura 1). La ganancia se establece por la tolerancia de las ocho resistencias. Si necesita que todo el circuito esté dentro de ±1 %, puede usar resistencias de 0,1 % (Método 1) o usar calibración. La resistencia única se puede reemplazar con una resistencia ajustable o un potenciómetro (pot). Luego, las otras siete resistencias pueden ser resistencias del 5 % (±35 % en total) o resistencias del 1 % (±7 % en total). Se requiere un análisis del circuito para determinar qué tolerancias son prácticas. También se consideran otros parámetros como el consumo de energía, la granularidad del ajuste y la estabilidad de la temperatura.
La siguiente consideración es la estabilidad del ajuste. ¿Cumplirá con sus requisitos un ajuste único en la fábrica o se requerirán ajustes periódicos? Una vez más, esto es específico de la aplicación. Una herramienta especial, el simulador de circuito Micro-Cap 10 de Spectrum Software, compara la estabilidad y la variación de la forma de onda con las tolerancias de los componentes. Puede encontrar una versión de evaluación gratuita aquí: www.maximintegrated.com/calEste software le permite barrer valores de resistencia y realizar análisis de Monte Carlo para explorar los efectos de las tolerancias de los componentes.
Coordinación de calidad y asequibilidad
La calibración permite a los ingenieros de diseño crear productos asequibles, robustos y fiables. Los ingenieros de diseño sin experiencia pueden verse tentados a tomar atajos. Aquellos con más experiencia ven este error y lamentan por qué siempre tienen tiempo para arreglar algo cuando no tuvieron suficiente tiempo para arreglarlo bien la primera vez.Si es así, es mejor recordar las famosas palabras de Mark Twain: Esto satisfará a algunos y sorprenderá a otros. ”
La alineación automática y precisa con un convertidor de digital a analógico calibrado (CDAC) y un potenciómetro digital calibrado (CDPot) facilitan el ajuste de las tolerancias de los componentes. CDAC y CDPot comparten algunos atributos únicos que permiten la calibración automática. Cuando enciende la alimentación, comienza en un estado conocido. Esto puede ser de escala completa, escala media, escala baja o un nivel previamente establecido desde la memoria no volátil autónoma. La Figura 2 compara DAC con CDAC y CDPot.
Un DAC típico puede aplicar un voltaje de referencia único (VREF). Este voltaje de referencia suele ser la configuración DAC más alta. La configuración DAC más baja es un voltaje fijo, generalmente tierra. CDAC y CDPot permiten que los voltajes DAC superior e inferior se establezcan en cualquier voltaje, lo que elimina el rango de ajuste adicional. La eliminación del rango de sintonización no utilizado elimina la posibilidad de que el circuito se desajuste significativamente. Los voltajes alto y bajo de CDAC y CDPot son arbitrarios, por lo que pueden ubicarse centralmente donde sea que se requiera la calibración del circuito.
