Metrologia
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Metrologia
3.1.
Introdução
Você sabia que os equipamentos que você utiliza no seu cotidiano, como carros e eletrodomésticos, mantêm igualdade nas características de fabricação graças a um profissional de metrologia. E também nos produtos alimentícios são respeitadas as medidas exatas de fornecimento no comercio graças à fiscalização de órgãos de metrologia. A Metrologia garante a qualidade do produto mantendo as especificações especificações de uma referência anteriormente anteriormente definida, definida, favorece as negociações negociações pela confiança do cliente, sendo um diferenciador tecnológico e comercial para as empresas. Esse é um novo mundo que você vai conhecer.
Fig.01-A metrologia esta presente em tudo que se produz e consome.
3.2.
Definição
Campo do conhecimento relativo a medições, ou ainda, a ciência das medições (do grego: metro = medir ; logia = estudo). A Metrologia assegura a precisão exigida no no processo produtivo, objetivando garantir a qualidade de produtos e serviços através da calibração de instrumentos de medição, sejam eles analógicos ou eletrônicos (digitais), e da realização de ensaios, sendo a base fundamental para a competitividade das empresas. Metrologia também diz respeito ao conhecimento dos pesos e medidas e dos sistemas de unidades de todos os povos, antigos e modernos. A Metrologia trata das grandezas grandezas dimensionais, dimensionais, forma geométrica, geométrica, posição relativa entre superfícies superfícies e do acabamento superficial dos componentes. componentes. Abrange todos os aspectos teóricos e práticos relativos às medições, qualquer que seja a incerteza, em quaisquer campos da ciência ou tecnologia. Abrange todos os os aspectos teóricos teóricos e práticos relativos relativos às medições, medições, qualquer que que seja a incerteza, incerteza, em quaisquer campos da ciência ou tecnologia.
3.3.
Padrão de Medidas
Todas as medidas estão baseadas em um padrão de medição , que são todas as operações necessárias para se respeitar as características de medidas de um padrão internacional internacional (SI – Sistema Internacional de Medidas) mantendo-se dentro de possíveis limites apropriados, consta de uma referencia de comparação, denomina-se este corpo de padrão. Padrão é a representação material da unidade ou de seus múltiplos. Nome dado ao objeto ou fenômeno natural (incluindo constantes físicas e propriedades propriedades específicas de substâncias) usado como referência para Definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade de medida. destinado a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um ou mais valores de uma grandeza para servir como referência Para cada grandeza a ser medida , existe uma pirâmide com a base formada por instrumentos de medição industriais e com o vértice pela sua definição física através do Sistema Internacional de Unidades (SI). Esta estrutura é conhecida como cadeia metrológica.
Fig.02- Trena – Sistema métrico
Desta forma, r ealizando ualquer medição, so ente com aramos a grandeza f ísica a avaliar com s a definição através do SI. O padr ão é a m terialização da unid de; é infl enciada por condições físicas, podendo- e me mo dizer ue é a ma erialização da unidad e, soment sob condições espe ificas. O metro-padrão, por exemplo, t m o comp imento de um metro, omente q ando esta a uma determinada temperatura, a um determin da pressão e suport do, também, de um modo defi ido. E' óbvio que a mudança e qualquer uma essas condições alterará o com rimento or iginal. De omina-se um corpo de padrão, se ele represent a unida e correspondente somente s b det rminadas condições especifica as. Padrão é a rep esentação material d a unidade ou de se s múl tiplos. Em apl icações co erciais, a medição fundamental: para que transaç es comer iais possam ser efetuadas, é necessá io descrev er as quantidades en olvidas em termos de uma base comum, isto é, e uma uni dade de medição. C m a evolu ão da ma ufatura, e ta necessidade se intensificou: é pre iso descrever o bem fabricado m termos e elemen os que o quantifique , isto é, n mero de um cal ado, tama ho de uma peça, q antidade ontida em uma emb lagem, s o apenas exemplos. A intercambialid de desejada entre eças e el ementos d e uma m quina só é possíve através a expressão da propriedades geom tricas e ecânicas destes ele entos atr avés de o erações e me ição. Medir uma for a de des rever o mundo. As randes d scobertas científicas, as grand s teo ias clássic s foram, e ainda são formulada a partir d observaç es experi entais. U a boa teor ia é a uela que e verifica a prática. A descriçã das quantidades envolvidas e cada fen meno se á através da m dição. A medição c ontinua pr sente no desenvolvi mento tec ológico. através a me ição do esempenho de um sistema q e se ava ia e reali enta o s u aperfei oamento. A qualidade, a s gurança, controle e um elemento ou pr cesso é s mpre ass gurada atr vés de u a operação de edição. á quem afirme que "medir é f cil". Afirma-se aqui que "cometer erros e me ição é ain a mais fá il". De fato, existe uma quantida e elevada de fatores que pode gerar est s err s, conhecê-los e cont olá-los ne sempre é uma taref fácil. Co o o valor medir é sempre des onhecido, não existe uma forma mágica de checar e firmar que o nú ero obtido de um sistema de medição rep esenta a g randeza s b medição (mensura do). Poré , exi tem algun procedim ntos com os quais s pode car cterizar e elimitar o quanto os erros podem afe ar os resu tados. Ne te texto, são aborda as diversas técnicas e procedi entos que permitem a convivência pacífica com o erro de edição . Uma medição perf eita, isto é, sem erros, só pode e istir se um SM (siste a de medição) perfei o existir e a grandeza sob edição (denominada ensurando) tiver um valor único , perfeitam nte defini o e e tável, ou eja, poucas variáveis envolvidas . Apenas neste caso ideal o res ltado de uma mediç o (R ) pode ser expresso or um nú ero e uma unidade de medição apenas. S be-se que não existem SM perfeitos. Aspectos tecnológic s forçam que qualquer M construído resulte imperfeito: Padrão suas dimensõ s, forma eométrica,, material, Interna ional pro riedades létricas, ópticas, pn umáticas, etc, não correspondem xatament e à ideal. As leis e pri ncípios fí icos que regem o fun ionamento de alguns SM nem s mpre são perf eitamente lineares como um análise Padrao N cional sim lista poderia supo . A existência de desgaste e d terioração de partes agravam ain a mais esta condição.. Nestes casos, o SM ger erros de medição. Pe turbações ext rnas, como, por ex mplo, as condições P drao de Referencia am ientais, p dem prov car erros, alterando (RB ) diretamente SM ou agindo sobre o me surando, fazendo com que o co portament do SM se afaste ainda mais do ideal. Variações de temperatura provocam adrao de rabalho dila ações nas escalas de um SM de co primento, variações as propri dades de co ponentes circuitos létricos, q e alteram Fig.03- Padrões Principais e básicos
Desta forma, r ealizando ualquer medição, so ente com aramos a grandeza f ísica a avaliar com s a definição através do SI. O padr ão é a m terialização da unid de; é infl enciada por condições físicas, podendo- e me mo dizer ue é a ma erialização da unidad e, soment sob condições espe ificas. O metro-padrão, por exemplo, t m o comp imento de um metro, omente q ando esta a uma determinada temperatura, a um determin da pressão e suport do, também, de um modo defi ido. E' óbvio que a mudança e qualquer uma essas condições alterará o com rimento or iginal. De omina-se um corpo de padrão, se ele represent a unida e correspondente somente s b det rminadas condições especifica as. Padrão é a rep esentação material d a unidade ou de se s múl tiplos. Em apl icações co erciais, a medição fundamental: para que transaç es comer iais possam ser efetuadas, é necessá io descrev er as quantidades en olvidas em termos de uma base comum, isto é, e uma uni dade de medição. C m a evolu ão da ma ufatura, e ta necessidade se intensificou: é pre iso descrever o bem fabricado m termos e elemen os que o quantifique , isto é, n mero de um cal ado, tama ho de uma peça, q antidade ontida em uma emb lagem, s o apenas exemplos. A intercambialid de desejada entre eças e el ementos d e uma m quina só é possíve através a expressão da propriedades geom tricas e ecânicas destes ele entos atr avés de o erações e me ição. Medir uma for a de des rever o mundo. As randes d scobertas científicas, as grand s teo ias clássic s foram, e ainda são formulada a partir d observaç es experi entais. U a boa teor ia é a uela que e verifica a prática. A descriçã das quantidades envolvidas e cada fen meno se á através da m dição. A medição c ontinua pr sente no desenvolvi mento tec ológico. através a me ição do esempenho de um sistema q e se ava ia e reali enta o s u aperfei oamento. A qualidade, a s gurança, controle e um elemento ou pr cesso é s mpre ass gurada atr vés de u a operação de edição. á quem afirme que "medir é f cil". Afirma-se aqui que "cometer erros e me ição é ain a mais fá il". De fato, existe uma quantida e elevada de fatores que pode gerar est s err s, conhecê-los e cont olá-los ne sempre é uma taref fácil. Co o o valor medir é sempre des onhecido, não existe uma forma mágica de checar e firmar que o nú ero obtido de um sistema de medição rep esenta a g randeza s b medição (mensura do). Poré , exi tem algun procedim ntos com os quais s pode car cterizar e elimitar o quanto os erros podem afe ar os resu tados. Ne te texto, são aborda as diversas técnicas e procedi entos que permitem a convivência pacífica com o erro de edição . Uma medição perf eita, isto é, sem erros, só pode e istir se um SM (siste a de medição) perfei o existir e a grandeza sob edição (denominada ensurando) tiver um valor único , perfeitam nte defini o e e tável, ou eja, poucas variáveis envolvidas . Apenas neste caso ideal o res ltado de uma mediç o (R ) pode ser expresso or um nú ero e uma unidade de medição apenas. S be-se que não existem SM perfeitos. Aspectos tecnológic s forçam que qualquer M construído resulte imperfeito: Padrão suas dimensõ s, forma eométrica,, material, Interna ional pro riedades létricas, ópticas, pn umáticas, etc, não correspondem xatament e à ideal. As leis e pri ncípios fí icos que regem o fun ionamento de alguns SM nem s mpre são perf eitamente lineares como um análise Padrao N cional sim lista poderia supo . A existência de desgaste e d terioração de partes agravam ain a mais esta condição.. Nestes casos, o SM ger erros de medição. Pe turbações ext rnas, como, por ex mplo, as condições P drao de Referencia am ientais, p dem prov car erros, alterando (RB ) diretamente SM ou agindo sobre o me surando, fazendo com que o co portament do SM se afaste ainda mais do ideal. Variações de temperatura provocam adrao de rabalho dila ações nas escalas de um SM de co primento, variações as propri dades de co ponentes circuitos létricos, q e alteram Fig.03- Padrões Principais e básicos
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o valor indicado por um SM. Vibrações ambientais, a existência de campos eletromagnéticos, umidade do ar excessiva, diferentes pressões atmosféricas podem, em maior ou menor grau, afetar o SM, introduzindo introduzi ndo erros nas indicações deste. O operador e a técnica de operação empregada podem também afetar a medição. O uso de força de medição irregular ou excessiva, vícios de má utilização ou SM inadequados, podem levar a erros imprevisíveis. A forma, tamanho ou faixa de medição do SM pode não ser a mais indicada para aquela aplicação. Em parte dos casos, o mensurando não possui valor único ou estável. Apenas um cilindro ideal apresenta um valor único para o seu diâmetro. Não se consegue fabricar um cilindro real com a forma geométrica matematicamente perfeita. Características da máquina operatriz empregada, dos esforços de corte, do material ou ferramenta empregada afastam a forma geométrica obtida da ideal. Mesmo que disponha de um SM perfeito, verifica-se que diferentes medições do diâmetro em diferentes ângulos de uma mesma secção transversal ou ao longo de diferentes seções ao longo do eixo do cilindro levam a diferentes números. Estas variações são de interesse quando se deseja caracterizar as propriedades do cilindro e devem ser informadas no resultado da medição. A temperatura de uma sala é outro exemplo de um mensurando instável: varia ao longo do tempo e com a posição onde é medida. A massa de uma peça metálica é um exemplo de um mensurando estável, se forem desprezados aspectos relativísticos. Na prática estes diferentes elementos que afetam a resposta de um SM aparecem superpostos. Ao se utilizar de um sistema de medição para determinar o resultado de uma medição é necessário conhecer e considerar a faixa provável dentro da qual se situam estes efeitos indesejáveis - sua incerteza i ncerteza - bem be m como levar em conta as variações do próprio mensurando. Portanto, o resultado de uma medição não deve ser composto de apenas um número e uma unidade, mas de uma faixa de valores e a unidade. Em qualquer ponto dentro desta faixa deve situar-se o valor verdadeiro associado ao mensurando.
3.3.1. 3.3.1.1-
3.3.1.2-
3.3.1.3-
Tipos de padrão
Padrões de referência referênci a – São consta de padrões provisórios gerados a partir de um padrão de nacional ou internacional, respeitando todos os possíveis desvios e recendo certificação com prazo determinado. Destinado a definir realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um ou mais valores de uma grandeza para servir como referência. Padrão, geralmente tendo a mais alta qualidade metrológica disponível em um dado local ou em uma dada organização, a partir do qual as medições lá executadas são derivadas. Padrões de transferência - Padrões de transferência são utilizados para comparar e criar novos padrões a partir de um padrão base, ou seja, a partir do padrão secundário para gerar o padrão de trabalho. São aqueles mantidos pelas indústrias ou laboratórios secundários com a função de transferir a exatidão da medição para o nível próximo inferior de padrões na hierarquia. Padrões de transferência são comparados por laboratórios nacionais com padrões de referência. Assim um padrão de transferência calibrado pode ser usado para determinar a exatidão e a incerteza de outros padrões da mesma unidade fundamental de medida. Padrões de trabalho - Padrões de trabalho são os que se encontram prontamente disponíveis para toda a organização que faz medições de produto. Os padrões de trabalho são calibrados pelos padrões de transferência, que podem vir a ser usados para se realizar medições quando um alto grau de precisão for requerido. Utilizado rotineiramente rotineiramente para calibrar ou controlar medidas materializadas, instrumentos de medição ou materiais de referência. Observações: 1) Um padrão de trabalho é geralmente calibrado por comparação a um padrão de referência. 2) Um padrão de trabalho utilizado rotineiramente rotineiramente para assegurar que as medições estão sendo executadas corretamente é chamado padrão de controle.
3.3.1.4-
3.3.1.5-
3.3.1.6-
3.3.1.73.3.1.8-
Padrão Internacional - Padrão de nível mundial, reconhecido por um acordo internacional para servir, Internacionalmente, como base para estabelecer valores de outros padrões da grandeza a que se Fig.04- Criação de um padrão (fonte metrologia refere. Baseado nos padrões de referência do Sistema Internacional de USA). Medidas Exemplos: 1. Massa padrão de 1 kg; 2. Resistor padrão de 100 Ω; 3. Amperímetro padrão; 4. Padrão de freqüência de césio; 5. Eletrodo padrão de hidrogênio; 6. Solução de referência de cortisol no soro humano, tendo uma concentração certificada. Observações: 1) Um conjunto de medidas materializadas similares ou instrumentos de medição que, utilizados em conjunto, constituem um padrão coletivo. 2) Um conjunto de padrões de valores escolhidos que, individualmente ou combinados, formam uma série de valores de grandezas de uma mesma natureza é denominado coleção padrão. Padrão Nacional - Padrão vigente em nosso País e reconhecido por uma decisão nacional para servir, em um país, como base para atribuir valores a outros padrões da grandeza a que se refere. Padrão Primário é aquele designado ou amplamente reconhecido como tendo as mais altas qualidades metrológicas e cujo valor é aceito sem referência a outros padrões de mesma grandeza. No Brasil o detentor do padrão primário é o INMETRO. Observação: O conceito de padrão primário é igualmente válido para grandezas de base e para grandezas derivadas Padrão Secundário Valor obtido a partir de um padrão primário, é estabelecido por comparação a um padrão primário da mesma grandeza. No Brasil os padrões secundários estão localizados em órgãos que fazem parte do RBC. Padrão Itinerante Padrão, algumas vezes de construção especial, para ser transportado entre locais diferentes
3.4- Termos fundamentais de Metrologia 3.4.1- Grandeza (mensurável): Especifica quantidade de uma medida, atributo de um fenômeno, corpo ou substância que pode ser qualitativamente distinguido e quantitativamente determinado (INMETRO, 2000a). Exemplos de Grandezas em geral: comprimento, tempo, massa, temperatura, resistência elétrica, concentração de quantidade de matéria. Os
Fig.05- Hierarquia de medidas no Brasil e os padrões
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símbolos das grandezas são dados na norma ISO 31.
3.4.2- Medir: ação de avaliar uma grandeza comparando-a com outra de mesma espécie, adotada como referência. 3.4.3- Medida: valor numérico do resultado da comparação entre uma grandeza a ser avaliada e uma grandeza de referência. Termo também usado para descrever o ato ou o processo de comparar uma grandeza a outra, com o objetivo de associar à primeira um número característico de seu valor diante da grandeza com a qual foi comparada (realizar uma medida). Dimensão, tamanho. 3.4.4- Mediç ão : conjunto de operações que tem por objetivo determinar um valor de uma grandeza. Unidade de medida: é um conceito abstrato usado para expressar o valor unitário da medida de determinada grandeza, com a qual outras grandezas de mesma natureza são comparadas para expressar suas magnitudes em relação àquela grandeza específica. Geralmente uma 3.4.5- unidade de medid a é fixada por definição e é independente de condições físicas. 3.4.6- Sist emas de m edidas ou sistemas de unidades de medida: nome dado ao conjunto de medidas ou unidades de medida de diferentes espécies agrupadas de maneira coerente e que são utilizadas em diferentes ramos da atividade humana. 3.4.7- Padrão de medida : nome dado ao objeto ou fenômeno natural (incluindo constantes físicas e propriedades específicas de substâncias) usado como referência para definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade de medida. 3.4.8- Volume ou c apacidade : medida cúbica (base x altura) utilizada para medir líquidos e matérias secas que possam ser cubicadas. A palavra volume é de uso mais recente. Ambas, entretanto, possuem o mesmo significado. 3.4.9- Calibração ou aferição : conjunto de operações que estabelece, sob condições específicas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição e os valores correspondentes das grandezas estabelecidas como padrão. 3.4.10- MENSURANDO: Objeto da medição. Grandeza específica submetida à medição.
3.4.11- EXATIDÃO DE MEDIÇÃO - Grau de concordância entre o resultado de uma medição e um valor verdadeiro do mensurando. 3.4.12- ERRO (DE MEDIÇÃO), Resultado de uma medição menos o valor verdadeiro do mensurando.
3.5- Órgãos Relacionados 3.5.1- SI – Sistema Internacional de medid as – Medidas a nível mundial, sistema vigente adotado para todas as medidas, sendo as medidas para uma grandeza definido na CGPM.
3.5.2- CGPM - Conferência Geral de Pesos e UNIDADES - SI, m Medidas (CGPM). Os participantes desta Conferência são as delegações designadas pelos países signatários da Convenção do Metro (CM) quem tem por objetivo avaliar os trabalhos desenvolvidos pelos órgãos da CM e a situação da Metrologia no mundo, visando atender ao seu objetivo precípuo que é promover a uniformidade das medições nos países signatários. Atualmente a CM conta com 51 países signatários e ainda 14 economias associadas que participam do MRA /CIPM. O BIPM conta com cerca de 70 funcionários, sendo que cerca de 35 são pesquisadores, e tem um orçamento anual de aproximadamente 10 milhões de Euros para o período de 2005 a 2008, rateado entre os signatários da CM.
Fig.06- O
ótipo internacional do quilograma (K) prot ão materializado, ainda em uso, para o único padr definir uma unidade de base do SI.- fonte INMETRO
A 22ª CGPM contou com delegações de 41 países dos 51 signatários da CM, que enviaram 106 delegados e mais 18 delegados de 8 economias das 14 associadas ao MRA/CIPM. Contou ainda com 9 participantes convidados de Organizações Internacionais que mantêm colaboração com a CM. O total de participantes foi de 134 pessoas, mais o pessoal Científico do quadro do BIPM, cerca de mais 20 pessoas. 3.5.3- O CM ( Convenção do Metro ) é um tratado diplomático assinado em 20 de maio de 1875 em Paris no qual 17 países, incluindo o Brasil, decidiram criar uma estrutura para coordenar e uniformizar as medições nos países participantes visando dar suporte e facilitar o comércio internacional, que na época passava por um processo de Globalização. Para isto estabeleceu, que: seria criado um laboratório, o Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM). A autoridade máxima para decidir sobre os assuntos de interesse da CM é a CGPM que deve reunir-se em intervalos não superiores a seis anos em Paris (atualmente se reúne a cada quatro anos). 3.5.4- BIPM - o Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) no qual seriam mantidos os padrões internacionais do metro e do quilograma e de outras grandezas julgadas de interesse, e efetuar pesquisas e estudos pertinentes. Denominado Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), com sede em Paris. O Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) foi criado pela Convenção do Metro, assinada em Paris em 20 de maio de 1875 por 17 Estados, por ocasião da última sessão da Conferência Diplomática do Metro. Esta Convenção foi modificada em 1921. O Bureau Internacional tem sua sede perto de Paris, nos domínios do Pavilhão Breteuil (43.520 m2) (Parque de Saint-Cloud), posto à sua disposição pelo governo francês; e sua manutenção no que se refere às despesas é assegurada pelos Estados Membros da Convenção do Metro. O Bureau I nternacional, que tem por missão assegurar a unificação mundial das medidas físicas, é encarregado: – de estabelecer os padrões fundamentais e as escalas das principais grandezas físicas, e de conservar os protótipos internacionais; – de efetuar a comparação dos padrões nacionais e
internacionais; – de assegurar a coordenação das técnicas de medidas correspondentes; – de efetuar e de coordenar as determinações relativas às constantes físicas que intervêm naquelas atividades. A missão inicial desse organismo foi de disseminar o uso do Sistema Métrico no mundo inteiro, por meio da construção e conservação de novos protótipos do metro e do quilograma; de comparálos com os protótipos oficiais; e de incentivar e realizar estudos científicos com o objetivo de favorecer o aperfeiçoamento e o progresso dos processos de medições. Atualmente, o Bureau Internacional des Poids et Mesures tem por missão assegurar a unificação mundial das
Fig.07- Organograma da convenção do metro – CM ( SI).-
fonte INMETRO
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medidas físicas e está encarregad encarregado o de: • Estabelecer os padrões fundamentais e as escalas das principais grandezas físicas e conservar os protótipos internaciona internacionais; is; • Efetuar a comparação dos padrões nacionais nacionais e internacion internacionais; ais; • Assegurar a coordenação das técnicas de medidas correspondentes; • Efetuar e coordenar as determinações relativas relativas às constantes físicas que intervêm naquelas atividades. A autoridade suprema suprema do BIPM é a Conferência Conferência Geral Geral de Pesos e Medidas Medidas (CGPM), formada formada por delegados de todos os países signatários da Convenção do Metro.3I Ela tem por objetivos: • discutir e promover as ações necessárias para assegurar a propagação e o aperfeiçoamento aperfeiçoamen to do sistema de medidas em uso; • sancionar os resultados resultados das novas determinaçõe determinaçõess metrológicas metrológicas e adotar adotar as as diversas diversas resoluções científicas internaciona internacionais; is; • adotar as decisões decisões importantes concernentes ao funcionamen funcionamento to e ao desenvolvimen desenvolvimento to do Bureau Internacional des Poids et Mesures.
Suas atribuições são, principalmen principalmente, te, fazer pesquisas metrológicas e comparações internacionais das realizações das unidades e verificações de padrões. Esses trabalhos são objeto de um relatório anual detalhado, que é publicado como process verbaux das sessões do Comitê Internacional. Atualmente, o Sistema Sistema Métrico é apenas apenas história. Vários Vários outros sistemas sistemas já apareceram apareceram e
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desapareceram. Todos eles, contudo, mantiveram sempre as bases primordiais lançadas durante a desapareceram. criação do Sistema Métrico. No momento, o sistema de medidas adotado pelo BIMP é o Sistema Internacional (SI). A internaciona internacionalização lização desse sistema ainda não é completa. 3.5.5- CIPM - Comitê Internacional de Pesos e Medidas - formado por 14 (hoje 18) membros, de países diferentes, signatários signatários da CM, eleitos pela CGPM. O CIPM está sob a autoridade da CGPM e é encarregado de gerenciar os assuntos de interesse da CM entre duas CGPM. O CIPM se reúne uma vez por ano no BIPM. 3.5.6- INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia, Metrologia, é uma entidade federal federal brasileira, vinculada vinculada ao Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior. Órgão responsável por toda metrologia no Brasil, seja em Normalização e Qualidade Industrial. 3.5.7- RBC – E um conjunto de laboratórios credenciados pelo INMETRO para efetuar calibrações cientificas e industriais. Criada em 1980 e constituída por laboratórios credenciados pelo INMETRO segundo os requisitos da norma NBR ISO/IEC 17025, a RBC congrega competências técnicas e capacitações vinculadas a indústrias, universidades universidades e institutos tecnológicos, habilitados habilitados para a realização de serviços de calibração. O credenciamento estabelece um mecanismo para evidenciar que os laboratórios se utilizam de um sistema da qualidade, que possuem competência técnica para realizar serviços de calibração e assegurar a capacidade em obter resultados de acordo com métodos e técnicas reconhecidos reconhecidos nacional e internaciona internacionalmente. lmente. A RBC utiliza padrões padrões com rastreabilidade rastreabilidade às às referências metrológicas metrológicas mundiais mundiais da mais mais alta exatidão, estabelecendo estabelecendo vínculo com as unidades do Sistema Internacional de Unidades - SI e constituindo a base técnica imprescindível ao livre comércio entre as áreas econômicas preconizado nos mercados globalizados. globalizados. Os laboratórios da RBC prestam serviços de calibração para empresas produtoras e prestadoras de serviços e para laboratórios de universidades universidades e centros de pesquisas. Os laboratórios credenciados abrangem as seguintes áreas: dimensional, força, massa, pressão, eletricidade, tempo e freqüência, temperatura, volume e massa específica.
3.6- Breve histórico de medições
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No passado mediante a restrita tecnologia, métodos rudimentares foram adotados para estabelecer padrões de medidas visando visand o atender as necessidades da época é poca vigente.
3.7- Unidades de medidas e suas Derivadas Faremos agora um breve relato das principais medidas vigentes no sistema internacional de unidades, e as derivadas que surgiram mediante as leis físicas e a padrões regionais. As medidas regionais têm suas equivalências em tabelas apresentadas após estudos comparativos. Como exemplo, posso citar o sistema Angl An glo-A o-Amer meric icana ana Com Co m As A s Métri Mét ricas cas , o qual; 1” (uma polegada) = 0,0254 m.
3.7.1- SISTEMA INTERNACIONAL INTERNACIONAL DE UNIDADES - SI O Sistema Internacional de Unidades, ratificado pela lia. CGPM/1960 e atualizado até a 18- CGPM/1987 compreende: a) Tabela 1 - Sete Unid ades de Base
Unidade
Símbolo
Grandeza
metro
m
Comprimento
quilograma
kg
Massa
segundo
s
Tempo
ampère
A
Corrente elétrica
kelvin
K
Temperatura termodinâmica
mol
mol
Quantidade de matéria
candela
cd
intensidade luminosa
b) Tabela2 - Duas unidades suplementares: Unidade
Símbolo
Grandeza
radiano
rad
ângulo plano
esterradiano
sr
ângulo sólido
c) unidades derivadas, deduzidas direta ou indiretamente das unidades de base e suplementares; d) os múltiplos e submúltiplos decimais das unidades acima, cujos nomes são formados pelo emprego dos prefixos SI da Tabela 1. mil = 10 3 = 1 000 milhão = 10 6 = 1 000 000 bilhão = 10 9 = 1 000 000 000 trilhão = 10 12 = 1 000 000 000 000
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Podendo ser opcionalmente empregados os prefixos SI ou os fatores decimais da Tabela 1, em casos especiais (por exemplo, em cabeçalhos de tabelas); b) Para trabalhos de caráter técnico ou científico, é recomendado o emprego dos prefixos SI ou fatores decimais da Tabela 1,
Espaçamento entre núm ero e símbolo O espaçamento entre um número e o símbolo da unidade correspondente deve atender à conveniência de cada caso, assim, por exemplo: a) Em frases de textos correntes, é dado normalmente o espaçamento correspondente a uma ou a meia letra, mas não se deve dar espaçamento quando há possibilidade de fraude; b) Em colunas de tabelas, é facultado utilizar espaçamentos diversos entre os números e os símbolos das unidades correspondentes.
Pronúncia dos múlt iplos e submúlt iplos decimais das unidades na forma oral Os nomes dos múltiplos e submúltiplos decimais das unidades são pronunciados por extenso, prevalecendo a sílaba tônica da unidade. As palavras quilômetro, decímetro, centímetro e milímetro, consagradas pelo uso com o acento tônico deslocado para o prefixo, são as únicas exceções a esta regra; as-sim sendo, os outros múltiplos e submúltiplos decimais do metro devem ser pronunciados com acento tônico na penúltima silaba (mé), por exemplo, megametro, micrometro (distinto de micrômetro, instrumento de medição), nanometro etc. Grandezas expressas po r valores relativos É aceitável exprimir, quando conveniente, os valores de certas grandezas em relação a um valor determinado da mesma grandeza tomado como referência, na forma de fração ou percentagem. Tais são, dentre outras, a massa específica, a massa atômica ou molecular, a condutividade etc. TABELA 3 - PREFIXO SI Nome Símbolo Fator pelo qual a unidade é multi plicada E 10 18 = 1 000 000 000 000 000 000 exa P 10 15 = 1 000 000 000 000 000 peta T 10 12 = 1 000 000 000 000 terá G 10 9 = 1 000 000 000 giga M 10 6 = 1 000 000 mega k 10 3 = 1 000 quilo h 10 2 = 100 hecto da 10 deca d 10 -1 = 0,1 deci c 10 -2 = 0,01 centi m 10 -3 = 0,001 mili µ 10 -6 = 0,000 001 micro n 10 -9 = 0,000 000 001 nano p 10 -12 = 0,000 000 000 001 pico f 10 -15 = 0,000 000 000 000 001 femto a 10 -18 = 0,000 000 000 000 000 001 atto Observações: 1) Por motivos históricos, o nome da unidade SI de massa contém um prefixo; excepcionalmente e por convenção os múltiplos e submúltiplos dessa unidade são formados pela adjunção de outros prefixos SI á palavra grama e ao símbolo g. 2) Os prefixos desta Tabela podem ser também empregados com unidades que não pertencem ao SI. 3) Sobre os símbolos de unidades que têm prefixo e expoente ver 3.3.2. 4) As grafias fento e ato serão admitidas em obras sem caráter técnico
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Tabela 4 – Sistema Internacional – Unidades Fundamentais Grandezas Nome da Símbolo da Definição unidade unidade Metro M Comprimento igual a 1.650.763,73 comprimentos de onda, Comprimento no vácuo, da radiação correspondente a transição entre os níveis 2p10 e 5d 5 do átomo de criptônio 86 Massa Tempo
Quilograma Segundo
Kg S
Corrente elétrica
Ampère
A
Temperatura termodinâmic a Quantidade de matéria
Kelvin
K
Mol
Mol
Intensidade luminosa
Candela
cd
Massa do protótipo internacional do quilograma Duração de 9.192.631.700 períodos da radiação correspondente à transição entre SOS dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo do césio 133. Corrente elétrica variável que, mantida em dois condutores retilíneos, paralelos, de comprimento desprezível e situados no vácuo a 1 metro de distancia um do outro, produz entre esses condutores uma força igual a 2 vezes 10 -7 Newton, por metro de comprimento desses condutores Fração , da temperatura termodinâmica do ponto tríplice da água. Quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades elementares quantos os átomos contidos em 0,012 quilograma de carbono 12. Quando se utiliza o mol, as entidades elementares devem ser especificadas, podendo ser átomos, moléculas, íons, elétrons ou outras partículas, bem como agrupamentos especificados de tais partículas. Intensidade luminosa, na direção perpendicular, de uma superfície plana de 1/600.000 metro quadrado de área, de um corpo negro a temperatura de solidificação da platina, sob pressão de 101.325 Pascais.
Tabela 5 – Unidades Suplement ares e Derivadas Classe
Grandezas
Nome da Unidade
Símbolo da
Construção da unidade
Definição
unidade Rad.
Ângulo plano
Radiano
Ângulo sólido
Esterradiano
Sr
Área
Metro
M 2
Volume
Metro cúbico
M 3
Freqüência
Hertz
Hz
Velocidade
Metro por segundo
m/s
Velocidade angular
Radiano por segundo
Rad/s
Aceleração
Metro por segundo, por segundo
m/s2
Massa especifica
Quilograma por metro cúbico
Kg/m3
Aceleração angular
Rad/s
Força
Radiano por segundo, por segundo Newton
N
Kg.m/s2
Pressão
Pascal
Pa
N/m2
Viscosidade dinâmica
Pascal – segundo
Pa.s
Trabalho, energia, quantidade de calor Potencia fluxo de energia
Joule
J
N.m
Watt
W
j/s
Carga elétrica
Coulomb
C
A.S
s-1
2
Ângulo central que subentende um arco de círculo de comprimento igual ao do respectivo raio. Ângulo sólido que, tendo vértice no centro de uma esfera, subentende na superfície da mesma uma área igual ao quadro do raio da esfera. Área de um quadrado cujo lado tem 1 metro de comprimento Volume de um cubo cuja aresta tem 1 metro de comprimento Freqüência de fenômeno periódico cujo período é de 1 segundo Velocidade de um nível que, em movimento retilíneo uniforme percorre a distância de 1 metro em 1 segundo. Velocidade angular de um móvel que, em movimento de rotação uniforme, descreve 1 radiano em 1 segundo. Aceleração de um móvel, em movimento retilíneo uniformemente variado, cuja velocidade varia de 1 metro por segundo em 1 segundo. Massa específica de um corpo homogêneo, em que um volume igual a 1 metro cúbico contém massa igual a 1 quilograma Aceleração angular de um móvel de rotação uniformemente variado cuja varia de 1 radiano por segundo Força que comunica à massa de 1 quilograma a aceleração de 1 metro por segundo, por segundo, na direção da força. Pressão exercida por uma força de 1 Newton, uniformemente distribuído sobre uma superfície plana de 1 metro quadrado de área, perpendicular à direção da força. Viscosidade dinâmica de um fluido que se escoa de forma tal qual sua velocidade varia de 1 metro por segundo, por metro de afastamento na direção perpendicular ao plano de deslizamento, quando a tensão tangencial ao longo desse plano é constante e igual a 1 pascal Trabalho realizado por uma força constante de 1 Newton, que desloca seu ponto de aplicação de 1 metro na sua direção. Potência desenvolvida quando se realiza, de maneira contínua e uniforme, o trabalho de 1 Joule em 1 segundo. Carga elétrica que atravessa em 1
Metrologia
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(quantidade de eletricidade) Tensão elétrica, diferença de potencial, Força eletromotriz Gradiente de potencial, intensidade de campo elétrico
W/A
segundo uma seção transversal de um condutor percorrido por uma corrente invariável de 1 ampère. Tensão elétrica entre os terminais de um elemento passivo de circuito, que dissipa a potência de 1 watt quando percorrido por uma corrente invariável de 1 ampère.
Volt
V
Volt por metro
V/m
Resistência elétrica
Ohm
Ω
V/A
Condutância
Siemens
S
A/V
Condutância de um elemento passivo de circuito cuja resistência elétrica é de 1 Ohm.
Capacitância
Farad
F
C/V
Capacitância de um elemento passivo de circuito entre terminais cuja tensão elétrica varia uniformemente à razão de 1 volt por segundo, quando percorrido por uma corrente invariável de 1 ampère.
Indutância
Henry
H
Fluxo magnético
Weber
Wb
V.S.
Fluxo magnético uniforme através de uma superfície plana de área igual a 1 metro quadrado, perpendicular à direção de uma indução magnética uniforme de 1 tesla.
Indução magnética
Tesla
T
Wb/m2
Indução magnética uniforme que produz uma força constante de 1 Newton por metro de um condutor retilíneo situado no vácuo e percorrido por uma corrente invariável de 1 ampère sendo perpendiculares entre
Gradiente de potencial uniforme que se verifica em um meio homogêneo e isótropo, quando é de 1 volt a diferença de potencial entre dois planos equipotenciais situados a 1 metro de distância um do outro. Resistência elétrica de um elemento passivo de circuito que é percorrido por uma corrente invariável de 1 ampère, quando uma tensão elétrica constante de 1 volt é aplicada aos seus terminais
Indutância de um elemento passivo de circuito, entre terminais aos quais se induz uma tensão constante de 1 volt, quando percorrido por uma corrente que varia uniformemente à razão de 1 ampère por segundo.
si as direções da indução magnética, da força e da corrente. Intensidade de um campo magnético uniforme, criado por uma corrente invariável de 1 ampère, que percorre um condutor retilíneo, de comprimento infinito e de área de seção transversal desprezível, em qualquer ponto de superfície cilíndrica de diretriz, circular com 1 metro de circunferência que tem como eixo o referido condutor.
Intensidade do campo magnético
Ampère por metro
A/m
Temperatura Celsius
Grau Celsius
°C
Gradiente de temperatura
Kelvin por metro
K/m
Gradiente de temperatura uniforme que se verifica em um meio homogêneo e isótropo, quando é de 1 Kelvin a diferença de temperatura entre dois planos isotérmicos situados à distância de 1 metro do outro
Capacidade térmica
Joule por Kelvin
j/K
Capacidade térmica de um sistema homogêneo e isótropo, cuja temperatura aumenta de 1 Kelvin quando se lhe adiciona 1 Joule de quantidade de calor
Calor especifico
Joule por quilograma e por Kelvin
J/(Kg. K)
Calor específico de uma substância cuja temperatura aumenta de 1 Kelvin quando se lhe adiciona 1 Joule de quantidade de calor por quilograma de sua massa.
Condutividade térmica
Watt por metro por Kelvin
W/(m. K)
Condutividade térmica de um material homogêneo e isótropo, no qual se verifica um gradiente de temperatura uniforme de 1 Kelvin por metro, quando existe um fluxo de calor constante de densidade de 1 Watt por metro quadrado.
Vazão
Metro cúbico por segundo
M 3 /s
Vazão de um fluido que, em regime permanente através de uma superfície determinada, escoa o volume de 1 metro cúbico do fluido
K – 273,15
Intervalo de temperatura unitário igual a 1 Kelvin, numa escala de temperatura em que o ponto coincide com 273,15 Kelvins.
Metrologia
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em 1 segundo. Fluxo de massa
Quilograma por segundo
Kg/s
Fluxo de massa de um material que, em regime permanente através de uma superfície determinada, escoa a massa de 1 quilograma do material a 1 segundo.
Momento de inércia
Quilogramametro quadrado
Kg.m2
Momento de inércia em relação a um eixo, de um ponto material de massa igual a 1 quilograma, distante de 1 metro do eixo
Momento linear
Quilogramametro por segundo
Kg.m/ s
Momento linear de um corpo de massa igual a 1 quilograma, que se desloca com velocidade de um metro por segundo.
Momento angular
Quilograma metro quadrado por segundo
Kg.m2 /s
Momento angular, em relação a um eixo, de um corpo que gira em torno desse eixo com velocidade angular uniforme de 1 radiano por segundo e cujo momento de inércia, em relação ao mesmo eixo, é de 1 quilogramametro quadrado.
Tabela 6 – outras unidades aceitas para uso com o S.I. sem restrição de prazo Grandezas Nome Símbolo Valor em unidade Definição SI Litro L 0,001 m3 Volume igual a 1 decímetro Volume cúbico Grau ° Ângulo plano igual à fração Π /180 rad Ângulo plano ângulo central de um circulo completo. Minuto ‘ Ângulo plano igual à fração Π /10800 rad de 1 minuto. Segundo ‘‘ Ângulo plano igual à fração Π /648000 rad de 1 minuto. Unidade U 1,66057 x 10 -27 kg Massa igual à fração da Massa (unificada) de (aproximadamente) massa de um átomo de massa carbono 12. atômica Tonelada T 1000 kg Massa igual a 1000 quilogramas Minuto Min 60s Intervalo de tempo igual a 60 Tempo segundos Hora H 3.600s Intervalo de tempo igual a 60 minutos Dia D 86400s Intervalo de tempo igual a 24 horas
Velocidade angular
Rotação por minuto
RPM
rad/s
Velocidade angular de um móvel que, em movimento de rotação uniforme a partir de uma posição inicial, retorna à mesma posição após 1 minuto.
Tabela 7 – Outras unidades fora do SI. admitidas temporariamente Nome da unidade Símbolo Valor em unidade S.I. 10 -10 m Ǻ Angstr om Atm 101 325 Pa Atmosfera Bar 10 5 Pa Bar Cal 4,1868 j • Caloria •
Cavalo a vapor
Cv
735,5 W
•
Quilograma força
Kgf
9,806 65 N
•
Milímetro mercúrio
•
de mmHg
Observações
133,322 Pa
Aproximadamente
A evitar e a substituir pela unidade SI correspondente.
3.7.2- Conversões de Medidas 3.7.2.1- Tabelas de uni dades Tabela 8 - Conversão de unidades de pressão Kgf/cm 2 Ibf/pol 2 BAR Pol Hg Pol H2O 2 14,233 0,9807 28,96 393,83 Kgf/cm 1 2 0,0703 1 0,0689 2,036 27,689 Ibf/pol 1,0197 14,504 1 29,53 401,6 BAR 0,4911 0,03386 1 13,599 Pol Hg 0,0345 Pol H2O 0,002537 0,03609 0,00249 0,07348 1 1,0332 14,696 1,0133 29,921 406,933 ATM mmHg 0,00135 0,019337 0,00133 0,03937 0,535 mmH2O 0,000099 0,00142 0,00098 0,00289 0,03937 0,010197 0,14504 0,01 0,29539 4,0158 Kpa
1N= 1 kN = 1 MN = 1 kp = 1 dina =
Unidades de peso kN MN -3 10 10 -6 1 10 -3 10 3 1 -3 9,81 . 10 9,81 . 10 -6 10 -8 10 -11
N* 1 10 3 10 6 9,81 10 -5 * 1 N = 1 kg m/s2
kp 0,102 0,102 . 10 3 0,102 . 10 6 1 0,102 . 10 -5
ATM 0,9678 0,068 0,98692 0,0334 0,002456 1 0,001316 0,00009 0,009869
mmHg 735,58 51,71 750,06 25,399 1,8665 760,05 1 0,07353 7,50062
dina 10 5 10 8 10 11 9,81 . 10 5 1
mmH 2O 10003 70329 10200 345,0 25,399 10335 13,598 1 101,998
Kpa 98,0665 6,895 100 3,3863 0,2488 101,325 0,13332 0,0098 1
Metrologia
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Tabela complementar de c onversões Força Área Pressão
N m2
bar
Newton metro quadrado Pascal bar 1 bar = 10 5 Pa 1 bar = 1,02 1bar = 0,987atm 1 bar = 14,5 psi
No sistema inglês: Força Área Pressão
lbf pol 2
libra-força polegada quadrada libra-força por polegada quadrada
Outras unidades: Força
kgf
Pressão
quilograma-força 1 kgf = 9,81N quilograma-força por centímetro quadrado
1 1
atm
0,981 14,22
atmosfera 1 1,033
1atm = 1,013bar 1atm = 14,7psi
Comparação De Unidades Anglo-Americana Com As Métricas Unidades De Comprimento pol pé jarda mm m 1 0,08333 0,02778 25,4 0,0254 1 pol = 12 1 0,3333 304,8 0,3048 1 pé = 36 3 1 914,4 0,9144 1 jarda = -6 -6 0,03937 3281 . 10 1094 . 10 1 0,001 1 mm = 39,37 3,281 1,094 1000 1 1m= 94 6 39370 3281 10 10 1000 1 km =
2
1 pol 2 = 1 pé 2 =
pol 1 144
pé 1
2
Unidades de área jarda 2 cm 2 6,452 0,1111 929
dm 2 0,06452 9,29
km 10 -6 0,001 1
m2 0,0929
1 jarda2 = 1 cm 2 = 1 dm 2 = 1 m 2 = 1 pol 3 = 1 pé 3 = 1 jarda3= 1 cm 3 = 1 dm 3 = 1 m 3 =
1 dracma = 1 onça = 1 lb = 1g= 1 kg = 1 mg =
1296 0,155 15,5 1550
9 0,1076 10,76
pol 3 1 1728 46656 0,06102 61,02 61023
1 8361 83,61 1 0,01 0,01196 100 1 1,196 10000 100 Unidades de volume 3 pé jarda 3 cm 3 16,39 1 0,037 28320 27 1 765400 -8 -6 3531 . 10 1,31 . 10 1 0,03531 0,00131 1000 3531 130,7 10 6
dm 3 0,01639 28,32 0,001 1 1000
m3 0,0283 10 -6 0,001 1
Unidades de massa oz lb g 0,0625 0,003906 1,772 1 0,0625 28,35 16 1 453,6 0,03527 0,002205 1 35,27 2,205 1000 35270 2205 10 6
kg 0,00177 0,02835 0,4536 0,001 1 1000
mg 10 -6 0,001 1
dracma 1 16 256 0,5644 564,4 564,4 . 10 3
1 milha ingl esa 1 milha maritima internacional 1 milha geográfica 1 legua br asileira (3000 braças) I milha brasileira (1000 braças) 1 galão imperial (ingl.) 1 galão americano (EUA) 1 braça (2 varas) 1 vara (5 palmos) 1 passo geométrico(5pés) 1 alqurire paulista 1 alqueire mineiro 1 short ton(US) 1 long ton (GB, US) 1 Btu/pé3 1 Btu/lb 1 lb/pé 1 lb/pol 2 (= 1 psi)
3.8-
Outras unidades = =
0,8361 0,0001 0,01 1
1609 m 1852 m
= =
7420 m 6600 m
=
2200 m
= =
4,546 dm3 3,785 dm3
= = =
2,20 m 1,10 m
= = = = =9,547 kcal/m3 =0,556 kcal/kg =4,882 kp/m2 =0,0703 kp/cm2
1,65 m 24200 m2 48400 m2 0,9072 mg 1,0160 mg 39 964 N m/m3 2 327 N m/kg 47,8924 N/m2 0,6896 N/cm2
Unidades Dimensionais
Unidades Dimensionais As unidades de medidas dimensionais representam valores de referência, que permitem:
Metrologia
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Expres
ar as dim nsões de bjetos (realização de eituras de esenhos ecânicos); seguida, controlar s dimensões desses objetos (u ilização de aparelhos e Confec cionar e, e instrumentos de medida). Exemplo: A ltura da torre EIFF EL é de 300 metr s; a espessura de uma folh de pap l para cig arros é d e 30 mic ometros. torre EIF EL e a folha de papel são objeto . A altur e a espes ura são g andezas. metros e microme ros são un idades. 300 metros e 30 icrometros são medid as.
3.1 .1- Unida es Dimen ionais Lin eares 3.1 .1.1- Sistema Métric Decimal 1- istórico: O etro, uni ade fund mental do sistema métrico, criado na França em 1795, e pr ticamente igual à déc ima milionésima par te do qu rto do meridiano terr stre (fig); esse val r, escolhi o por ap esentar car ter mundi l, foi dota o, em 20 de maio d e 1875, co o unidade oficial de medidas por dezoito nações. Ob ervação: 26 de junho de 186 2, a lei im erial nº 1.1 7 adotava, no Brasil, O sistema étrico de imal.
Fi .12-Padrão do metro = ¼ do m ridiano
Fig.13- M tro via pad rão atômic
2- efinição d o Metro O etro é defi nido por meio da rad iação correspondente à transiçã entre os íveis “2 p 10" e “5 d " do tomo de c iptônio 86 e é igual, por conven ão, a 1.65 .763,73 vezes o com rimento d ssa onda o vác o. O ' p 10', e '5 d 5', re resenta a radiação or usar n raia ver elho-laran a do cript nio 86. S u co primento d e onda é d 0.6057 micrometros.
3- etro Pad ão Univer al Um discussã semelhante à que o orre hoje para criar u padrão mais preciso para o quil o já
Fig.14- M tro padrão – barra de de platina m paris – Franca aconteceu no assado com o metro. O metro foi definido em 1791 pel a Academi Francesa de Ciências co o a distân ia compre ndida entr o Pólo N rte e a linha do equad or, medida sobre o m ridiano qu passa sobre P ris e dividi da por 10 ilhões. Para facilitar uso e a di fusão dess unidade, o Bureau
Internacional de Pesos e Medidas criou, em 1889, um protótipo de platina e irídio que passou a servir de referência para o metro no mundo inteiro. No século XX, começou-se a buscar uma definição para o metro que não dependesse de um artefato físico e que fosse baseada numa constante fácil de reproduzir. Desde 1983, ficou acertado pelos especialistas em pesos e medidas que o metro corresponde à distância percorrida pela luz, no vácuo, no intervalo de um segundo dividido por 300 milhões. O metro-padrão universal é a distância materializada pela gravação de dois trás no plano neutro de uma barra de liga bastante estável, compostos de 90% de platina e 10% de irídio, cuja secção, de máxima rigidez, tem a forma de um X.
Terâmetro
Múltiplos e Submúltiplo s do Metro -10 12 -Tm -1 000 000 000 000m -Mm
- 10 9 - 10 6
-1 000 000m
Quilômetro
-Km
- 10 3
-1 000m
Hectômetro
-Hm
- 10 2
-100m
- 10 1
-10m
Gigâmetro
-Gm
Megâmetro
Decâmetro METRO (unidade) decímetro
-Dam
-1 000 000 000m
m
- 1m
-dm
- 10 -1
-0,1m
centímetro
-cm
- 10 -2
-0,01m
milímetro
-mm
- 10 -3
-0,001m
micrômetro
- m
-0,000 001m
nanômetro
-nm
- 10 -6 - 10 -9 -12
-0,000 000 001m
picômetro
-pm
- 10
femtômetro
-fm
attômetro
-am
- 10 -15 -0,000 000 000 000 001m - 10 -18 -0,000 000 000 000 000 001m
-0,000 000 000 001m
Unidades Não Oficiais Sistemas Inglês e Americano Os países anglo-saxãos utilizam um sistema de medidas baseado na farda imperial ( y ard ) e seus derivados não decimais, em particular a polegada inglesa ( i nch ), equivalente a 25,399 956mm à temperatura de 0ºC. Os americanos adotam a polegada milesimal, cujo valor foi fixado em 25,400 050mm à temperatura de 16 2/3ºC. Em razão da influência anglo-saxônica na fabricação mecânica, emprega-se freqüentemente, para as medidas industriais, à temperatura de 20ºC, a polegada de 25,4mm. Observação: Muito embora a polegada extinguiu-se, na Inglaterra, em 1975, será aplicada em nosso curso, em virtude do grande número de máquinas e aparelhos utilizados pelas indústrias no Brasil que obedecem a esses sistemas. Unidades de compri mento m µm mm cm dm km 6 3 2 1 10 10 10 10 10 -3 1m= 10 -6 1 10 -3 10 -4 10 -5 10 -9 1µm = 10 -3 10 3 1 10 -1 10 -2 10 -6 1 mm = 10 -2 10 4 10 1 10 -1 10 -5 1 cm = 10 -1 10 5 10 2 10 1 10 -4 1 dm = 10 3 10 9 10 6 10 -5 10 4 1 1 km =
Metrologia
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mm 1 10 -3 10 -6 10 -7 10 -9 10 -10
Unidades de comp rimento (Cont.) µm nm Å 3 6 10 10 10 7 1 10 3 10 4 10 -3 1 10 -1 10 -4 10 1 -6 -3 10 10 10 -7 -6 10 10 10 -5
pm 10 9 10 6 10 3 10 2 1 10 -1
mÅ 10 10 10 7 10 4 10 3 10 1
1 mm = 1 µm = 1 nm = 1Å= 1 pm = 1 mÅ Å = Angstron 1 mÅ = 1 UX (unidade X ou Rontgen) Área Área ou superfície é o produto de dois comprimentos. O metro quadrado é a unidade SI da área, e o seu símbolo é m 2. Unidades de área 2 2 m µm mm 2 cm 2 dm 2 km 2 1 10 12 10 6 10 4 10 2 10 -6 1 m 2 = 10 -12 1 10 -2 10 -8 10 -10 10 -18 1 µm 2 = 10 -6 10 6 1 10 -2 10 -4 10 -12 1 mm 2 = 10 -4 10 8 10 2 1 10 -2 10 -10 1 cm 2 = 10 -2 10 10 10 4 10 2 1 10 -8 1 dm 2 = 10 6 10 18 10 12 10 10 10 8 1 1 km 2 =
Volume Volume é produto de três comprimentos (comprimento, largura e altura). O metro cúbico é a unidade SI de volume, e o seu símbolo é m 3. Unidades de volume 3 m mm 3 cm 3 dm 3 * km 3 1 10 9 10 6 10 3 10 9 1 m3 = 10 -9 1 10 -3 10 -6 10 -18 1 mm 3 = 10 -6 10 3 1 10 -3 10 -15 1 cm 3 = 10 -3 10 -6 10 3 1 10 -12 1 dm 3 = 10 9 10 18 10 15 10 12 1 1 km 3 = 3 * 1 dm = 1l (litro) 3.12.2- Unidade de Massa O quilograma é a unidade SI de massa, com o símbolo kg . O correto em português é escrever quilograma, entretanto trataremos a unidade de massa como kilograma por coerência gráfica (kg). O kilograma tem as seguintes características ímpares: a) Única unidade de base com prefixo (kilo = mil) b) Única unidade de base definida por um artefato escolhidoem 1889. c) Praticamente sua definição não sofreu nenhuma modificação ou revisão. O padrão primário da unidade de massa é o protótipo internacional do kilograma do BIPM. Este protótipo é um cilindro de platina (90%) - irídio (10%), com diâmetro e atura iguais a 39mm. Tamanho aproximado do kilograma Fig.15- quilograma protótipo de platina-irídio protótipo de platinaUnidades de massa kg mg g dt t = mg 6 3 -2 1 10 10 10 10 -3 1 kg = 10 -6 1 10 -3 10 -8 10 -9 1 mg = 10 -3 10 3 1 10 -5 10 -6 1g=
1 dt = 1 t = 1 mg
10 2 10 3
10 8 10 9
10 5 10 6
1 10
10 -1 1
Pressão Na área industrial trabalhamos com três conceitos de pressão: Pressão Atmosférica ou Barométrica - É a pressão do ar e da atmosfera vizinha. Pressão Relativa ou Manométrica - É a pressão tomada em relação à pressão atmosférica. Pode assumir valores negativos (vácuo) ou positivos (acima da pressão atmosférica). Pressão Absoluta - É a pressão tomada em relação ao vácuo completo ou pressão zero. Portanto só pode assumir valores positivos. O Pascal é a unidade SI de pressão , e o seu símbolo é Pa. Um Pascal é a pressão de uma força de 1 Newton exercida numa superfície de 1 metro quadrado. Relações entre Unidades de Pressão P=F/A P - pressão F - Força A - Área Kgf/cm 2 Ibf/pol 2 BAR Pol Hg Pol H2O ATM mmHg mmH 2O Kpa 2 14,233 0,9807 28,96 393,83 0,9678 735,58 10003 98,0665 Kgf/cm 1 2 0,0703 1 0,0689 2,036 27,689 0,068 51,71 70329 6,895 Ibf/pol 1,0197 14,504 1 29,53 401,6 0,98692 750,06 10200 100 BAR 0,4911 0,03386 1 13,599 0,0334 25,399 345,0 3,3863 Pol Hg 0,0345 0,002456 1,8665 25,399 0,2488 Pol H2O 0,002537 0,03609 0,00249 0,07348 1 1,0332 14,696 1,0133 29,921 406,933 1 760,05 10335 101,325 ATM 0,001316 1 13,598 0,13332 mmHg 0,00135 0,019337 0,00133 0,03937 0,535 1 0,0098 mmH2O 0,000099 0,00142 0,00098 0,00289 0,03937 0,00009 0,07353 0,010197 0,14504 0,01 0,29539 4,0158 0,009869 7,50062 101,998 1 Kpa 1 g / cm 3 = 1. 10-3 Kg / 10-3 l = 1 Kg / l 1 g / cm 3 = 1. 10-3 Kg / 10-6 = 103 Kg / m 3 = 1000 Kg / m 3 Dagua= 1 g / cm 3 = 1 Kg / l = 1000 Kg / m 3 N / m 2 = Pascal (pa) = 10 dyn / cm 2 = 10 bária d = m / V (densidade) sendo m = massa e V=volume Sólidos 3 Alumínio 2,7 g / cm Álcool 0,79 3 Ferro 7,9 g / cm Mercúrio 13,6 3 Chumbo 11,3 g / cm Água 1 3 Platina 21,5 g / cm
Líquidos g / cm 3 g / cm 3 g / cm 3
3.12.3- Temperatura O Kelvin é unidade SI de temperatura, e o seu símbolo é K . O Kelvin é definido como a fração 1/273,15 da temperatura termodinâmica do ponto tríplice da água (equilíbrio simultâneo das fases sólida, líquida e gasosa). OBS: Temperatura OBS: Ver detalhamento deste tópico em física básica. 3.12.4- Força Força é uma grandeza vetorial, derivada do produto da massa pela aceleração, ou seja, quando se aplica uma força F em um corpo de massa m , ele se move com uma aceleração a, então: F=m.a O Newton é a unidade SI de força, e o seu símbolo é N. 3.12.5- Eletricidade Elétrica invariável que mantida em dois condutores retilíneos, paralelos, de comprimento infinito e de área de seção transversal desprezível e situados no vácuo a 1 metro de distância um do -7 outro, produz entre esses condutores uma força igual a 2.10 newton, por metro de comprimento desses condutores.
Metrologia
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Esta definição une as unidades elétricas às unidades mecânicas fixando o valor da permeabilidade magnética do vácuo, que intervém na expressão da força que se exerce entre dois condutores percorridos por uma corrente elétrica: Na prática, pela dificuldade das experiências, o ampère realizado a partir do volt e do ohm, utilizando para isso a lei de ohm. A incerteza da realização está especificada na definição acima.
I = Corrente elétrica em Ampéres, U (ou V)= tensão em Volts e R= Resistência Como unidades derivadas temos: a) o farad (F) - capacitância de um elemento passivo de circuito entre cujos terminais a tensão elétrica varia à razão de um volt por segundo, quando percorrido por uma corrente invariável de um ampère. b) o ohm ( Ω ) - resistência de um elemento passivo de circuito que é percorrido por uma corrente invariável de um ampère, quando uma tensão elétrica de um volt é aplicada aos seus terminais. c) o volt (V) - tensão elétrica entre os terminais de um elemento passivo de circuito, que dissipa a potência de um watt quando percorrido por uma corrente invariável de um ampère. d) o henry (H) - indutância de um elemento passivo de circuito, entre cujos terminais se induz uma tensão constante de um volt, quando percorrido por uma corrente que varia uniformemente à razão de um ampère por segundo. e) o coulomb (C) - carga elétrica que atravessa em um segundo, uma seção transversal de um condutor percorrido por uma corrente invariável de um ampère. f) o weber (Wb) que é o fluxo magnético uniforme através de uma superfície plana de área igual a um metro quadrado, perpendicular à direção de uma indução magnética uniforme de um tesla. g) o tesla (T) que é a indução magnética uniforme que produz uma força constante de um newton por metro de um condutor retilíneo situado no vácuo e percorrido por uma corrente invariável de um ampère, sendo perpendiculares entre si as direções da indução magnética, da força e da corrente.
3.8- Tipos de metrologia 3.8.1- Metrologia Legal A metrologia legal é a área da metrologia referente às exigências legais, técnicas e administrativas relativas às unidades de medidas, aos instrumentos de medir a às medidas materializadas. A Organização Internacional de Metrologia Legal (OIML), criada em 1955, cuida da uniformidade internacional dessas legislações . A metrologia legal tem por base uma regulamentação nacional ou internacional, que torna obrigatórias técnicas e procedimentos metrológicos na verificação da conformidade do instrumento de medida com o regulamento específico. A sociedade tem assim assegurada a qualidade das trocas produto-moeda e serviço-moeda, quando controladas por esses instrumentos de medição.
Objetiva fundamentalmente as transações comerciais, em que as medições são extremamente relevantes no tocante aos aspectos de exatidão e lealdade.
O governo promulga leis e regulamentos técnicos fixando as modalidades da atividade de metrologia legal, notadamente no que tange às características metrológicas dos instrumentos envolvidos em tais operações. A elaboração da regulamentação baseia-se nas Recomendações da OIML - Organização Internacional de Metrologia Legal e conta com a colaboração dos fabricantes dos instrumentos e de entidades dos consumidores. No âmbito da metrologia legal a regulamentação técnica brasileira abrange medições, notadamente no que diz respeito à massa, volume, comprimento, temperatura e energia. Estende-se ainda à regulamentação e fiscalização de produtos pré-medidos (alimentos, bebidas, artigos de higiene e limpeza etc.), aos instrumentos empregados na manutenção da saúde pública (termômetros clínicos, medidores de pressão arterial, seringas médicas, eletroencefalógrafos, eletrocardiógrafos etc.), àqueles utilizados na garantia da segurança pública (manômetros para pneumáticos, velocímetros de automóveis, radares, bafômetros, tacógrafos etc.) bem como àqueles destinados ao comércio (balanças, bombas de combustível, taxímetros, hidrômetros etc.).
3.8.2- Metrologia Científica e Industrial A metrologia científica trata, fundamentalmente, dos padrões de medição internacionais e nacionais, dos instrumentos laboratoriais e das pesquisas e metodologias, científicas relacionadas ao mais alto nível de qualidade metrológica
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Como desdobramento, estas ações alcançam os sistemas de medição das indústrias (metrologia industrial), responsáveis pelo controle dos processos produtivos e pela garantia da qualidade dos produtos finais. O INMETRO, por intermédio da DIMCI - Diretoria de Metrologia Científica, tem a responsabilidade de manter as unidades fundamentais de medida, garantir a rastreabilidade aos padrões internacionais e disseminá-las, com seus múltiplos e submúltiplos, até as indústrias. Desta forma, o INMETRO tem como principais objetivos: • •
•
•
•
Intercomparar periodicamente os padrões nacionais aos internacionais; Estabelecer metodologias para a intercomparação nacional de padrões, instrumentos de medir e medidas materializadas; Calibrar padrões de referência dos laboratórios credenciados, rastreando-os aos padrões nacionais; Efetuar pesquisas visando à obtenção de medições mais exatas e melhor reprodução das unidades do Sistema Internacional; Descentralizar serviços metrológicos ao longo do país, credenciando laboratórios que tenham condições adequadas à realização de serviços metrológicos específicos, para faixas de valores e incerteza de medição estabelecida.
3.9- Metrologia e Instrumentação Os conceitos de metrologia e instrumentação se fundem devido a ambos estarem relacionados a medir grandezas, e em nosso estudo de automação, ou atuando profissionalmente, sempre estaremos nos deparando com estes profissionais, que são de essencial importância para pleno domínio de automação, seja em projeto ou operação, pois consta de uma das áreas mais importantes da automação. Inicialmente, vamos estabelecer a definição a dois termos atualmente bastante citados, mas entendidos dos mais diferentes modos:
Metrologia é a ciência da medição. Trata dos conceitos básicos, dos métodos, dos erros e sua propagação, das unidades e dos padrões envolvidos na quantificação de grandezas físicas. Em nosso caso os metrologistas estarão sempre evidentes na calibração de instrumentos e desgaste operacional. Instrumentação é o conjunto de técnicas e instrumentos usados para observar, medir e registrar fenômenos físicos. A instrumentação preocupa-se com o estudo, o desenvolvimento, a aplicação e a operação dos instrumentos. Mais adiante abordaremos este assunto em detalhes.
O procedimento de medir x medição Medir é o procedimento pelo qual o valor momentâneo de uma grandeza física (mensurando ou grandeza a medir) é determinado como um múltiplo e/ou uma fração de uma unidade estabelecida como padrão. A medida é o valor correspondente ao valor momentâneo da grandeza a medir no instante da leitura. A leitura é obtida pela aplicação dos parâmetros do sistema de medição à leitura e é expressa por um número acompanhado da unidade da grandeza a medir.
3.10- Componentes de Medidas Um dos mais significativos índices de progresso, em todos Os ramos da atividade humana, e a perfeição dos processos metrológicos que neles se empregam. Principalmente no domínio da técnica, a Metrologia é de importância transcendental. O sucessivo aumento de produção e a melhoria de qualidade requerem um ininterrupto desenvolvimento e aperfeiçoamento na técnica de medição; quanto maiores são as necessidades de aparatos, ferramentas de medição e elementos capazes. Na tomada de quaisquer medidas, devem ser considerados três elementos fundamentais: o método, o instrumento e o operador. a) Método, b) Instrumento c) Operador
3.9.1-
Método
Existem dois métodos de medição:
Metrologia
3.9.1.1-
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Medição Direta
A medição direta caracteriza-se quando o resultado do mensurando é obtido diretamente no instrumento de medição. - Principais métodos de medição direta: a) Método Deslocamento ou indicação Método pelo qual uma grandeza é indicada numa escala convencionalmente graduada baseando-se para isso em Fig. 11 – medidor direto – paquímetro e metro propriedades físicas adequadas de um elemento ou de outra grandeza. Como exemplo, temos a medição de temperatura por termômetro de vidro. b) Método de com pensação ou d e zeragem Método de medição no qual se reduz a zero a diferença entre o valor da grandeza a medir e um valor conhecido na mesma grandeza. Exemplo: Balança analítica, conforme figura 10. 3.9.1.2-
- Medição Indireta
Na medição indireta ou comparativa, a grandeza será avaliada comparando-a diretamente com um padrão. O instrumento de medição torna-se então um dispositivo que, sem a presença do padrão externo, não é capaz de avaliar a grandeza. Este tipo de medição é mais indicado Fig.10 – Medidor indireto – balança analítica e relógio comparador no disco de para quantificar variações muito freio pequenas em valores proporcionalmente grandes. Na Figura 10 o relógio comparador é o exemplo de instrumento de medição indireto. o valor de uma grandeza é obtido através de cálculos sobre valores resultantes de medição direta de outras grandezas, que tenham relação funcional com a grandeza a medir. Como exemplo pode ser citado a medição de área e volume 3.9.1.3-
Método diferencial
O método de medição diferencial resulta da combinação dos dois métodos anteriores. O mensurando é comparado a uma grandeza padrão e sua diferença medida por um instrumento que opera segundo o método da indicação. Normalmente o valor da grandeza padrão é muito próximo do mensurando de forma que a faixa de medição do instrumento que opera por indicação pode ser muito pequena. Como conseqüência, seu erro máximo pode vir a ser muito reduzido sem que seu custo se eleve. A incerteza da grandeza padrão geralmente é muito baixa o que resulta em um sistema de medição com excelente estabilidade e desempenho metrológico, sendo de grande utilização na indústria. A medição do diâmetro por meio do relógio comparador da figura 10 é um exemplo de medição diferencial. A medição diferencial apresenta características que a coloca em uma posição muito atrativa, sendo de fato muito adotada na indústria. Característica Indicação Zeragem Diferencial Estabilidade baixa muito elevada Elevada Velocidade de medição muito elevada muito baixa elevada
Custo inicial Facilidade de automação Erro máximo
3.9.2.
elevado elevada moderado
moderado muito baixa muito pequeno
moderado elevada muito pequeno
Instrumentos de Medição
A exatidão relativa das medidas depende evidentemente, da qualidade dos instrumentos de medição empregados. Assim, a tomada de um comprimento com um metro defeituoso dará resultado duvidoso, sujeito a contestações. Portanto, para a tomada de uma medida, é indispensável que o instrumento esteja calibrado e que a sua aproximação permita avaliar a grandeza em causa, com a precisão exigida. 3.9.2Operador O operador é, talvez, dos três, o elemento mais importante. É ele a parte inteligente na apreciação das medidas. De sua habilidade depende, em grande parte, a precisão conseguida. Um bom operador, servindo-se de instrumentos relativamente débeis, consegue melhores resultados do que um operador inábil com excelentes instrumentos. Deve, pois, o operador, conhecer perfeitamente os instrumentos que utiliza, ter iniciativa para adaptar às circunstancias o método mais aconselhável e possuir conhecimentos suficientes para interpretar os resultados encontrados.
Fig.11 – Laboratório Internacional de medidas – 1
Metrologia
3.11- Especi ficações d o Laborat
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rio de Met rologia
Nos ca os de me ição de in trumentos muito prec isos, torna se necess rio uma a equação o loc l de medi ão à cond ições esp cíficas de ambiente alimenta ão dos equipamento , esse loc al dev e satisfaze as seguin es exigênc ias: 1 - emperatur constante; 2- g rau higrométrico correto; 3 - usência d vibrações e oscilaçõ s; 4 - spaço sufi ciente; 5 - oa iluminação e limp za. 6 - stabilizaç o da tensã elétrica d e suprimento.
3.1 .1- Temp ratura, U idade, Vi ração e E paço A Conf rencia Int rnacional o Ex-Com te l.S.A. fi ou em 20 0 a temper atura de c libração d s inst umentos d estinados verificar s dimensõ s ou for as. Em c nseqüênci , o laboratório dever á ser ma tido dentr dessa te peratura, endo toler vel a vari ação de mais ou me os 10 0 C; ara isso, f z-se nec essária a i stalação d e regulado es automáticos. A midade relativa do r não de era ultrap ssar 55 ; e ac nselhável instalar um higr stato (ap relho reg lador de umidade); na falta este, usa-se o CLO ETO DE ALCIO IN USTRIAL, cuja pro riedade química ret ra cerca e 15% d um ida e relativa do ar. Par a proteger as máqui as e aparelhos co tra vibraç o do pr dio, forra-se a me a com tap te de borr cha, com spessura e 15 a 2 mm, e s bre este s coloca c apa de aç o, de 6m . No laboratório, o spaço de e ser sufi iente par acomodar, em armários, todos os instrumentos Fig.11 – Lab ratório Int rnacional e medidas-2 e, inda, proporcionar b m-estar a todos qu nele trabalham. 3.1 .2- Ilumin ação e Li peza A il uminação eve ser uniforme, c nstante e disposta, e maneira que evite ofuscame to. Nenhum dis ositivo de precisão d ve estar xposto ao pó para q e não haj desgastes e para q e as part s ótic s não fiquem prejudi adas por onstantes limpezas. local de rabalho deverá ser o mais limpo e org nizado po sível, evit ndo-se qu as peças fiquem um s sobre as outras. 3.1 .3- Norm s Gerais e Medição Me ição é uma operaçã simples orem só poderá ser bem efetu da por aq eles que e preparam par tal fim. O aprendiza o de medi ção deverá ser acom anhado por um trein mento, qu ndo o alu o ser orientado segundo a normas g erais de m dição 3.1 .3.1- Con ições par efetuar m edição: 1- ranqüilida e. 2- Limpeza. 3- uidado. 4- aciência. 5- enso de responsabili ade. 6- ensibilidad e. 7- inalidade d a posição edida. 8- I strumento adequado. 9- omínio so re o instru ento. Re omendaç es Os instrumentos de m dição são utilizados para det erminar g andezas. A grandez a pode s r det rminada or compa ação e p r leitura m escala ou régua graduada. É dever e todos s
profissionais zelar pelo bom estado dos instrumentos de medição, mantendo-o assim por maior tempo sua real precisão. Evite: 1- choques, quedas, arranhões, oxidação e sujeira; 2- misturar instrumentos; 3- cargas excessivas no uso, medir provocando atrito entre a peça e o instrumento; 4- medir peças cuja temperatura, esteja fora da temperatura de referencia; 5- medir peças sem importância com instrumentos caros. Cuidados: 1 - USE proteção de madeira, borracha ou feltro, para apoiar os instrumentos. 2- DEIXE a peça adquirir a temperatura ambiente, antes de efetuar medições. 3.12- Processo de Medição O processo de medir engloba: • entender conceitualmente o fenômeno, ou seja, saber o que se está medindo; • a infra-estrutura técnica básica, ou seja, o laboratório; • os instrumentos de referência, ou seja, a capacidade de medição comprovada; • a rede metrológica nacional, ou seja, a rede de rastreabilidade metrológica; • o uso do instrumento na indústria, qual a finalidade das medições e suas faixas, ou seja, o conhecimento dos fins para os quais se destinam as informações;
A operação de medição é realizada por um instrumento de medição ou, de uma forma mais genérica, por um sistema de medição (SM), podendo este último ser composto por vários módulos. Obtém-se desta operação instrumentada a chamada indicação direta, que é o úmero lido pelo operador diretamente no dispositivo mostrador , acompanhado da respectiva unidade indicada neste dispositivo. Para que a medição tenha sentido, é necessário determinar a chamada indicação. A indicação corresponde ao valor momentâneo do mensurando no instante da medição, e é composta de um número acompanhado da mesma unidade do mensurando. A indicação é obtida pela aplicação da chamada constante do instrumento à indicação direta. A constante do instrumento deve ser conhecida pelo usuário do SM antes do multiplicativa, e em alguns casos o valor da indicação pode ser calculada a partir de equações lineares ou não lineares, tabelas ou gráficos. A figura 2.1 ilustra a operação de medição realizada através de um instrumento de medição denominado paquímetro. A indicação direta obtida é 50,38 mm. Sabe-se que a constante multiplicativa deste instrumento é unitária. Logo, a indicação resulta em: I = 50,38 mm, que corresponde ao comprimento medido. O exemplo da figura 2.2 consiste de um SM de comprimento que funciona por princípios optoeletrônicos. A peça a medir é iluminada por um feixe de luz colimada e uniforme. A sombra do comprimento a medir é projetada sobre o fotodetetor, que gera um sinal elétrico proporcional à quantidade de energia recebida, que é proporcional à área iluminada. Este sinal elétrico é amplificado por meio de um circuito eletrônico e indicado pelo SM. Como mostra a figura 2.2, a indicação direta é 251,9 mV. Neste caso, fica claro que 251,9 mV não é o valor do diâmetro a medir. O cálculo do valor da indicação é efetuado através da constante multiplicativa do SM: 0,2 mm/mV. Assim, I = 251,9 mV . 0,2 mm/mV = 50,38 mm.
A figura 2.3 mostra um outro exemplo de SM. Deste SM faz parte um relógio comparador, cuja indicação reflete o deslocamento vertical da sua haste. A medição é efetuada em três etapas: a) inicialmente um bloco padrão de comprimento conhecido de 50 mm é aplicado sobre o SM; b) o SM é regulado para que, neste caso, a indicação direta seja zero;
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c) o padrão de 50 mm é retirado e a peça a medir é submetida ao SM; A indicação direta obtida, neste caso, é de 19 divisões, e está associada à diferença entre os comprimentos da peça a medir e o padrão de 50 mm. A determinação da indicação envolve uma constante aditiva igual ao comprimento do padrão de 50 mm e uma constante multiplicativa relacionada com a sensibilidade do relógio comparador, isto é, com a relação mm/divisão deste relógio comparador. Assim, o valor da indicação é: I = 50 mm + 19 div . 0,02 mm/div I = 50,38 mm
Em boa parte dos SM comerciais a indicação coincide numericamente com a indicação direta, caso em que a constante do instrumento é multiplicativa e unitária, o que torna bastante cômoda e prática a aplicação do SM. Porém, deve-se estar atento para as diversas situações.
O Resultado de uma Medição A indicação, obtida de um SM, é sempre expressa por meio de um número e a unidade do mensurando. O trabalho de medição não termina com a obtenção da indicação. Neste ponto, na verdade, inicia o trabalho do experimentalista. Ele deverá chegar à informação denominada: resultado de uma medição. O resultado de uma medição (RM) expressa propriamente o que se Sistema de Medição ( SM) pode determinar com segurança sobre o valor do mensurando, a Incerteza de medição = 0,04 mm para nível de confiança de 95% partir da aplicação do SM sobre esta. É composto de duas parcelas: a) o chamado resultado base (RB), que corresponde ao valor central da faixa onde deve situar-se o valor verdadeiro do mensurando; b) e a incerteza da medição (IM), que exprime a faixa de dúvida ainda Id ( indicação direta)= 50,38 mm d Indicação (I) = Id x constante do SM presente no I=50,38 mm x 1 resultado, provocada I=50,38 mm pelos erros presentes no SM e/ou variações do Mensurando= d RM= (50,38 ± 0,04) mm Tipo= Invariavel mensurando, e RM= Resultado de medição deve sempre ser Rb=Resultado Base acompanhado da unidade IM=Incerteza de medição do mensurando. Assim, o RM=(RB±IM) unidade em questão resultado de uma medição (RM) deve ser sempre expresso por: RM = (RB ± IM) [unidade]
O procedimento de determinação do RM deverá ser realizado com base no: a) conhecimento aprofundado do processo que define o mensurando (o fenômeno físico e suas características); b) conhecimento do sistema de medição (características metrológicas e operacionais); c) bom senso.
O SISTEMA DE MEDIÇÃO É necessário o conhecimento das características metrológicas e operacionais de um sistema de medição para sua correta utilização. Para tal, é necessária a definição de alguns parâmetros para caracterizar de forma clara o seu comportamento. Antes de iniciar tal estudo é conveniente classificar as partes que compõem um sistema de medição típico e caracterizar os métodos de medição.
3.1 Sistema Generalizado de Medição A análise sistêmica de diversos SM revela a existência de três elementos funcionais bem definidos que se repetem com grande freqüência na maioria dos sistemas de medição em uso. Em termos genéricos, um SM pode ser dividido em três módulos funcionais: o sensor/transdutor , a unidade de tratamento do sinal e o dispositivo mostrador . Cada módulo pode constituir uma unidade independente ou pode estar fisicamente integrada ao SM. A figura 3.1 mostra genericamente este SM. O transdutor é o módulo do SM que está em contato com o mensurando. Gera um sinal proporcional (mecânico, pneumático, elétrico ou outro) ao mensurando segundo uma função bem definida, normalmente linear, baseada em um ou mais fenômenos físicos. Em termos gerais, um transdutor transforma um efeito físico noutro. Quando o transdutor é composto de vários módulos, várias transformações de efeitos podem estar presentes. O primeiro módulo do transdutor, aquele que entra em contato
diretamente com o mensurando, é também denominado de sensor. A rigor, o sensor é uma parte do transdutor.
O sinal gerado pelo sensor/transdutor normalmente é um sinal de baixa energia, difícil de ser diretamente indicado. A unidade de tratamento do sinal (UTS), além da
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amplificação da potência do sinal, pode assumir funções de filtragem, compensação, integração, processamento, etc. É às vezes chamada de condicionador de sinais. Este módulo pode não estar presente em alguns SM mais simples. O dispositivo mostrador recebe o sinal tratado (amplificado, filtrado, etc) e através de recursos mecânicos, eletro-mecânicos, eletrônicos ou outro qualquer, transforma-o em um número inteligível ao usuário, isto é, produz uma indicação direta perceptível. Este módulo subentende também dispositivos registradores, responsáveis pela descrição analógica ou digital do sinal ao longo do tempo ou em função de outra grandeza independente. São exemplos: registradores X-Y, X-T, gravadores de fita, telas de osciloscópios, etc. A figura 3.2 exemplifica alguns SM's, onde são identificados estes elementos funcionais. A mola é o transdutor do dinamômetro da figura 3.2a: transforma a força em deslocamento da sua extremidade, que é diretamente indicado através de um ponteiro sobre a escala. Neste caso não há a unidade de tratamento de sinais. Já o exemplo da figura 3.2b incorpora uma unidade deste tipo, composta pelo mecanismo de alavancas: o pequeno deslocamento da extremidade da mola é mecanicamente amplificado por meio da alavanca que, contra a escala, torna cômoda a indicação do valor da força. Na figura 3.2c, representa-se um outro dinamômetro: o transdutor é composto de vários módulos: a força é transformada em deslocamento por meio da mola, em cuja extremidade está fixado um núcleo de material ferroso que, ao se mover, provoca variação da indutância de uma bobina, que provoca um desbalanceamento elétrico em um circuito, provocando uma variação de tensão elétrica proporcional. Este sinal é amplificado pela UTS, composta de circuitos elétricos, e indicado através de um dispositivo mostrador digital. Mesmo o termômetro da figura 3.3 possui os três elementos funcionais. A temperatura a medir é absorvida pelo fluído no interior do bulbo, que é o transdutor deste sistema, e sofre variação volumétrica. Esta variação é praticamente imperceptível a olho nu. O tubo capilar do termômetro tem por finalidade amplificar este sinal, transformando a variação volumétrica deste fluído em grande variação da coluna do fluído, o que caracteriza a UTS deste sistema. O mostrador é formado pela coluna do líquido contra a escala.
O ERRO DE MEDIÇÃO 4.1 A Convivência com o Erro O erro de medição é caracterizado como a diferença entre o valor da indicação do SM e o valor verdadeiro o mensurando, isto é: onde E = erro de medição I = indicação VV = valor verdadeiro Na prática, o valor "verdadeiro" é desconhecido. Usa-se então o chamado valor verdadeiro convencional (VVC), isto é, o valor conhecido com erros não superiores a um décimo do erro de medição esperado. Neste caso, o erro de medição é calculado por: onde VVC = valor verdadeiro convencional Para eliminar totalmente o erro de medição é necessário empregar um SM perfeito sobre o mensurando, sendo este perfeitamente definido e estável. Na prática não se consegue um SM perfeito e o mensurando pode apresentar variações. Portanto, é impossível eliminar completamente o erro de medição. Mas é possível, ao menos, delimitá-lo. Mesmo sabendo-se da existência do erro de medição, é ainda possível obter informações confiáveis da medição, desde que a ordem de grandeza e a natureza deste erro sejam conhecidas.
4.2 Tipos de Erros Para fins de melhor entendimento, o erro de medição pode ser considerado como composto de
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três parcelas aditivas: sendo E = I - VV (4.1) E = I - VVC (4.2) O ERRO DE MEDIÇÃO
4.9
E = erro de medição Es = erro sistemático Ea = erro aleatório Eg = erro grosseiro
4.2.1 O erro sistemático O erro sistemático (Es): é a parcela de erro sempre presente nas medições realizadas em idênticas condições de operação. Um dispositivo mostrador com seu ponteiro "torto" é um exemplo clássico de erro sistemático, que sempre se repetirá enquanto o ponteiro estiver torto. Pode tanto ser causado por um problema de ajuste ou desgaste do sistema de medição, quanto por fatores construtivos. Pode estar associado ao próprio princípio de medição empregado ou ainda ser influenciado por grandezas ou fatores externos, como as condições ambientais. A estimativa do erro sistemático da indicação de um instrumento de medição é também denominado Tendência (Td). O erro sistemático, embora se repita se a medição for realizada em idênticas condições, geralmente não é constante ao longo de toda a faixa em que o SM pode medir. Para cada valor distinto do mensurando é possível ter um valor diferente para o erro sistemático. A forma como este varia ao longo da faixa de medição depende de cada SM, sendo de difícil previsão. 4.2.2 O erro aleatório Quando uma medição é repetida diversas vezes, nas mesmas condições, observam-se variações nos valores obtidos. Em relação ao valor médio, nota-se que estas variações ocorrem de forma imprevisível, tanto para valores acima do valor médio, quanto para abaixo. Este efeito é provocado pelo erro aleatório (Ea). Diversos fatores contribuem para o surgimento do erro aleatório. A existência de folgas, atrito, vibrações, flutuações de tensão elétrica, instabilidades internas, das condições ambientais ou outras grandezas de influência, contribui para o aparecimento deste tipo de erro. A intensidade do erro aleatório de um mesmo SM pode variar ao longo da sua faixa de medição, com o tempo, com as variações das grandezas de influência, dentre outros fatores. A forma como o erro aleatório se manifesta ao longo da faixa de medição depende de cada SM, sendo de difícil previsão. 4.2.3 O erro grosseiro O erro grosseiro (Eg) é, geralmente, decorrente de mau uso ou mau funcionamento do SM. Pode, por exemplo, ocorrer em função de leitura errônea, operação indevida ou dano do SM. Seu valor é totalmente imprevisível, porém geralmente sua existência é facilmente detectável. Sua aparição pode ser resumida a casos muito exporádicos, desde que o trabalho de medição seja feito com consciência. Seu valor será considerado nulo neste texto. 4.2.4 Exemplo A figura 4.1 exemplifica uma situação onde é possível caracterizar erros sistemáticos e aleatórios. A pontaria de quatro tanques de guerra está sendo colocada à prova. O objetivo é acertar os projéteis no centro do alvo colocado a uma mesma distância. Cada tanque tem direito a 15 tiros. Os resultados da prova de tiro dos tanques A, B, C, e D estão mostrados nesta mesma figura. As marcas dos tiros do tanque "A" se espalharam por uma área relativamente grande em torno do centro do alvo. Estas marcas podem ser inscritas dentro do círculo tracejado desenhado na figura. Embora este círculo apresente um raio relativamente grande, seu centro coincide aproximadamente com o centro do alvo. O raio do círculo tracejado está associado ao espalhamento dos tiros que decorre diretamente do erro aleatório. A posição média das marcas
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dos tiros, que coincide aproximadamente com a posição do centro do círculo tracejado, reflete a influência do erro sistemático. Pode-se então afirmar que o tanque "A" apresenta elevado nível de erros aleatórios enquanto o erro sistemático é baixo. No caso do tanque "B", além do raio do círculo tracejado ser grande, seu centro está distante do centro do alvo. Neste caso, tanto os erros aleatórios quanto sistemáticos são grandes. Na condição do tanque "C", a dispersão é muito menor, mas a posição do centro do círculo tracejado está ainda distante do centro do alvo, o que indica reduzidos erros aleatórios e grande erro sistemático. Já a situação do tanque "D" reflete reduzidos níveis de erros aleatórios e também do erro sistemático. Obviamente que, do ponto de vista de balística, o melhor dos tanques é o tanque "D", por acertar quase sempre muito próximo do centro do alvo com boa repetitividade. Ao se comparar os resultados do tanque "C" com o "A", pode-se afirmar que o tanque "C" é melhor. Embora nenhum dos tiros disparados pelo tanque "C" tenha se aproximado suficientemente do centro do alvo, o seu espalhamento é muito menor. Um pequeno ajuste na mira do tanque "C" o trará para uma condição de operação muito próxima do tanque "D", o que jamais pode ser obtido com o tanque "A". Tanto no exemplo da figura 4.1, quanto em problemas de medição, o erro sistemático não é um fator tão crítico quanto o erro aleatório. Através de um procedimento adequado é possível estimálo relativamente bem e efetuar a sua compensação, o que eqüivale ao ajuste da mira do tanque "C" da figura 4.1. Já o erro aleatório não pode ser compensado embora sua influência sobre o valor médio obtido por meio de várias repetições se reduza na proporção de 1/ n , onde "n" é o número de repetições considerado na média. A seguir são apresentados procedimentos para a estimativa quantitativa dos erros de medição.
4.3 Estimação dos Erros de Medição Se o erro de medição fosse perfeitamente conhecido, este poderia ser corrigido e sua influência completamente anulada da medição. A componente sistemática do erro de medição pode ser suficientemente bem estimada, porém não a componente aleatória. Assim, não é possível compensar totalmente o erro. O conhecimento aproximado do erro sistemático e a caracterização da parcela aleatória é sempre desejável, pois isto torna possível sua correção parcial e a delimitação da faixa de incerteza ainda presente no resultado de uma medição. A forma de estimação destes erros é apresentada a seguir: 4.3.1 Erro sistemático/Tendência/Correção O erro determinado pela equação (4.2) contém intrinsecamente as parcelas sistemática e aleatória. Nota-se que, quando a medição é repetida várias vezes, o erro aleatório assume tanto valores positivos quanto negativos. De fato, geralmente, o erro aleatório pode ser modelado como tendo distribuição aproximadamente normal com média zero. Na prática, sua média t ende a zero à medida que aumenta-se o número de dados observados, uma vez que este tende a distribuir-se simetricamente em valores positivos e negativos. Desconsiderando o erro grosseiro, e assumindo que um número suficientemente grande de medições foi efetuado, a influência do erro aleatório no valor médio das medições tende a ser desprezável. Sendo assim, o valor médio de um número grande de medidas efetuadas repetidamente estará predominantemente afetado pelo erro sistemático. Logo, para um dado valor do mensurando, o Es poderia ser determinado pela equação (4.4), se fosse considerando um número infinito de medições: onde Es = erro sistemático MI = média de infinitas indicações do SM VVC = valor verdadeiro convencional Na prática não se dispõe de infinitas medições para determinar o erro sistemático de um SM, porém sim um número restrito de medições, geralmente obtidas na calibração do instrumento. Ainda assim, a equação (4.4) pode ser usada para obter uma estimativa do erro sistemático. Define-se então o parâmetro Tendência (Td), como sendo a estimativa do erro sistemático, obtida a partir de um número finito de medições, ou seja:
Td = MI - VVC (4.4a) No limite, quando o número de medidas tende a infinito, a tendência aproxima-se do valor do erro sistemático. Es = MI - VVC (4.4)
sistemático. A correção é numericamente igual à tendência, porém seu sinal é invertido, isto é: C = - Td (4.4b) O termo “correção” lembra a sua utilização típica, quando, normalmente, é adicionado à indicação
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para “corrigir” os efeitos do erro sistemático. A correção é mais freqüentemente utilizado em certificados de calibração. Nota: A estimativa do erro sistemático através da tendência (ou da correção) envolve uma faixa de incertezas que é função do número de medições repetidas e das incertezas do padrão utilizado como VVC (vide Anexo III). 4.3.2 Erro aleatório O erro aleatório distribui-se em torno do valor médio das indicações. É possível isolar seu valor individual para uma determinada medição através da seguinte equação: onde Eai = erro aleatório da i-ésima indicação Ii = valor da i-ésima indicação individual MI = média de infinitas indicações Esta expressão pode ser obtida por substituição da equação (4.4) na (4.3) se o erro grosseiro for desconsiderado. Este erro varia a cada medição de forma totalmente i mprevisível. O valor instantâneo do erro aleatório tem pouco ou nenhum sentido prático, uma vez que é sempre variável e imprevisível. A caracterização do erro aleatório é efetuada através de procedimentos estatísticos. Sobre um conjunto finito de valores de indicações obtidas nas mesmas condições e do mesmo mensurando, determina-se o desvio padrão experimental , que, de certa forma, está associado à dispersão provocada pelo erro aleatório. É comum exprimir de forma quantitativa o erro aleatório através da repetitividade (Re). A repetitividade de um instrumento de medição expressa uma faixa simétrica de valores dentro da qual, com uma probabilidade estatisticamente definida, se situa o erro aleatório da indicação. Para estimar este parâmetro, é necessário multiplicar o desvio padrão experimental pelo correspondente coeficiente “t” de Student, levando em conta a probabilidade de enquadramento desejada e o número de dados envolvidos. onde: Re = faixa de dispersão dentro da qual se situa o erro aleatório (normalmente para probabilidade de 95%) t = é o coeficiente “t” de Student s = desvio padrão experimental da amostra de n medidas Os procedimentos para a determinação do coeficiente “t” de Student, e estimação do desvio padrão da amostra "s" e da repetitividade (Re) são detalhados no anexo III. Eai = Ii - MI Re = ± t . s (4.6))
4.4 Incerteza A palavra “incerteza” significa “dúvida”. De forma ampla “incerteza da medição” significa “dúvida acerca do resultado de uma medição”. Formalmente, define-se incerteza como: “parâmetro, associado com o resultado de uma medição, que caracteriza a dispersão de valores que podem razoavelmente ser atribuídos ao mensurando”. A incerteza, portanto, está associada ao resultado da medição. Não corresponde ao erro aleatório do sistema de medição, embora este seja uma das suas componentes. Outras componentes são decorrentes da ação de grandezas de influência sobre o processo de medição, as incertezas da tendência (ou da correção), número de medições efetuadas, resolução limitada, etc. Não há, portanto, uma relação matemática explícita entre a incerteza de um processo de medição e a repetitividade de um sistema de medição. A incerteza é normalmente expressa em termos da incerteza padrão, da incerteza combinada ou da incerteza expandida. A incerteza padrão (u) de um dado efeito aleatório corresponde à estimativa equivalente a um desvio padrão da ação deste efeito sobre a indicação. A incerteza combinada (uc) de um processo de medição é estimada considerando a ação simultânea de todas as fontes de incerteza e ainda corresponde a um desvio padrão da distribuição resultante. A incerteza expandida (U) associada a um processo de medição é estimada a partir da incerteza combinada multiplicada pelo coeficiente t-Student apropriado e reflete a faixa de dúvidas ainda
presente nesta medição para uma probabilidade de enquadramento definida, geralmente de 95%. A estimativa da incerteza envolve considerações adicionais e será abordada em detalhes no capítulo 8.
4.5 Fontes de Erros Toda medição está afetada por erros. Estes erros são provocados pela ação isolada ou combinada de vários fatores que influenciam sobre o processo de medição, envolvendo o sistema de medição, o procedimento de medição, a ação de grandezas de influência e o operador. O comportamento metrológico do SM depende fortemente de fatores conceituais e aspectos construtivos. Suas características tendem a se degradar com o uso, especialmente em condições de utilização muito severas. O comportamento do SM pode ser fortemente influenciado por perturbações externas e internas, bem como pela influência do operador, ou mesmo do SM, modificar indevidamente o mensurando (fig. 4.3). O procedimento de medição adotado deve ser compatível com as características do mensurando. O número e posição das medições efetuadas, o modelo de cálculo adotado, a interpretação dos resultados obtidos podem também introduzir componentes de incerteza relevantes no resultado da medição. As grandezas de influência externas podem provocar erros alterando diretamente o comportamento do SM ou agindo sobre o mensurando. O elemento perturbador mais crítico, de modo geral, é a variação da temperatura ambiente, embora outras grandezas como vibrações mecânicas, variações de pressão atmosférica, umidade ou tensão da rede elétrica, também possam trazer alguma influência. A variação da temperatura provoca dilatação das escalas dos instrumentos de medição de comprimentos, da mesma forma como age sobre o mensurando, por exemplo, modificando o comprimento a medir de uma peça. A variação da temperatura pode também ser uma perturbação interna. Exemplo típico é a instabilidade dos sistemas elétricos de medição, por determinado espaço de tempo, após terem sido ligados. Em função da liberação de calor nos circuitos elétrico/eletrônicos há uma variação das características elétricas de alguns componentes e assim do SM. Há necessidade de aguardar estabilização térmica, o que minimizará os efeitos da temperatura. A existência de atrito, folgas, imperfeições construtivas e o comportamento não ideal de elementos físicos são outros exemplos de perturbação interna.
CALIBRAÇÃO DE SISTEMAS DE MEDIÇÃO Um sistema de medição (SM) de boa qualidade deve ser capaz de operar com pequenos erros. Seus princípios construtivos e operacionais devem ser projetados para minimizar erros sistemáticos e aleatórios ao longo da sua faixa de medição, nas sua condições de operação nominais. Entretanto, por melhores que sejam as características de um SM, este sempre apresentará erros, seja por fatores internos, seja por ação das grandezas de influência externas. A perfeita caracterização das incertezas associadas a estes erros é de grande importância para que o resultado da medição possa ser estimado de maneira segura. Embora, em alguns casos, os erros de um sistema de medição possam ser analítica ou numericamente estimados, na prática são utilizados procedimentos experimentais quase que exclusivamente. Através do procedimento experimental denominado calibração é possível correlacionar os valores indicados pelo sistema de medição e sua correspondência com a grandeza sendo medida. Esta operação é extremamente importante e é realizada por um grande número de entidades credenciadas espalhadas pelo país. Este capítulo apresenta, em linhas gerais, aspectos característicos da calibração e de operações a esta relacionadas.
5.1 Operações Básicas para Qualificação de Sistemas de Medição
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5.1.1 Calibração Calibração é um procedimento experimental através do qual são estabelecidas, sob condições específicas, as relações entre os valores indicados por um instrumento de medição ou sistema de medição ou valores representados por uma medida materializada ou um material de referência, e os valores correspondentes das grandezas estabelecidos por padrões. Como exemplos, através de uma calibração é possível estabelecer: a relação entre temperatura e tensão termoelétrica de um termopar; uma estimativa dos erros sistemáticos de um manômetro; o valor efetivo de uma massa padrão; a dureza efetiva de uma placa "padrão de dureza"; o valor efetivo de um "resistor padrão". O resultado de uma calibração permite tanto o estabelecimento dos valores do mensurando para as indicações, como a determinação das correções a serem aplicadas. Uma calibração também pode determinar outras propriedades metrológicas como, por exemplo, os efeitos das grandezas de influência sobre a indicação, ou o comportamento metrológico de sistemas de medição em condições adversas de utilização (em temperaturas elevadas ou muito baixas, na ausência de gravidade, sob radiação nuclear, etc). O resultado da calibração geralmente é registrado em um documento específico denominado certificado de calibração ou, algumas vezes, referido como relatório de calibração. O certificado de calibração apresenta várias informações acerca do desempenho metrológico do sistema de medição analisado e descreve claramente os procedimentos realizados. Frequentemente, como seu principal resultado, apresenta uma tabela, ou gráfico, contendo, para cada ponto medido ao longo da faixa de medição: a) estimativas da correção a ser aplicada e b) estimativa da incerteza associada à correção. Em função dos resultados obtidos, o desempenho do SM pode ser comparado com aquele constante nas especificações de uma norma técnica, ou outras determinações legais, e um parecer de conformidade pode ser emitido. A calibração pode ser efetuada por qualquer entidade, desde que esta disponha dos padrões rastreados e pessoal competente para realizar o trabalho. Para que uma calibração tenha validade oficial, é necessário que seja executada por entidade legalmente credenciada. No Brasil, existe a Rede Brasileira de Calibração (RBC), coordenada pelo INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial. Esta rede é composta por uma série de laboratórios secundários, espalhados pelo país, ligados a Universidades, Empresas, Fundações e outras entidades, que recebem o credenciamento do INMETRO e estão aptos a expedir certificados de calibração oficiais. Hoje, com as tendências da globalização da economia, a competitividade internacional das empresas é uma questão crucial. A qualidade dos serviços e dos produtos da empresa têm que ser assegurada a qualquer custo. As normas da série ISO 9000 aparecem para disciplinar a gestão das empresas para melhorar e manter a qualidade de uma organização. A calibração tem o seu papel de grande importância neste processo, uma vez que um dos requisitos necessários para uma empresa que se candidate à certificação pelas normas ISO 9000, é que os sistemas de medição e padrões de referência utilizados nos processo produtivo, tenham certificados de calibração oficiais. Embora a calibração seja a operação de qualificação de instrumentos e sistemas de medição mais importante, existem outras operações comumente utilizadas: 5.1.2 Ajuste Operação complementar, normalmente efetuada após uma calibração, quando o desempenho metrológico de um sistema de medição não está em conformidade com os padrões de comportamento esperados. Trata-se de uma "regulagem interna" do SM, executada por técnico especializado. Visa fazer coincidir, da melhor forma possível, o
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valor indicado no SM, com o valor correspondente do mensurado submetido. São exemplos: alteração do fator de amplificação (sensibilidade) de um SM por meio de um potenciômetro interno; regulagem do "zero" de um SM por meio de parafuso interno. No caso de medidas materializadas, o ajuste normalmente envolve uma alteração das suas características físicas ou geométricas. Por exemplo: colocação de uma "tara" em uma massa padrão; Após o término da operação de ajuste, é necessário efetuar uma recalibração, visando conhecer o novo comportamento do sistema de medição, após os ajustes terem sidos efetuados. 5.1.3 Regulagem É também uma operação complementar, normalmente efetuada após uma calibração, quando o desempenho metrológico de um sistema de medição não está em conformidade com os padrões de comportamento esperados. Envolve apenas ajustes efetuados em controles externos, normalmente colocados à disposição do usuário comum. É necessária para fazer o SM funcionar adequadamente, fazendo coincidir, da melhor forma possível, o valor indicado com o valor correspondente do mensurado submetido. São exemplos: alteração do fator de amplificação (sensibilidade) de um SM por meio de um botão externo; regulagem do "zero" de um SM por meio de um controle externo indicado para tal. 5.1.4 Verificação A operação de verificação é utilizada no âmbito da metrologia legal, devendo esta ser efetuada por entidades oficiais denominados de Institutos de Pesos e Medidas Estaduais (IPEM), existentes nos diversos estados da Federação. Trata-se de uma operação mais simples, que tem por finalidade comprovar que: • um sistema de medição está operando corretamente dentro das características metrológicas estabelecidas por lei; • uma medida materializada apresenta características segundo especificações estabelecidas por normas ou outras determinações legais. São verificados instrumentos como balanças, bombas de gasolina, taxímetros, termômetros clínicos e outros instrumentos, bem como medidas materializadas do tipo massa padrão usados no comércio e área da saúde, com o objetivo de proteger a população em geral. A verificação é uma operação de cunho legal, da qual resulta a emissão de selo ou plaqueta com a inscrição "VERIFICADO", quando o elemento testado satisfaz às exigências legais. É efetuada pelos órgãos estaduais denominados de Institutos de Pesos e Medidas (IPEM) ou diretamente pelo INMETRO, quando trata-se de âmbito federal.
5.2 Destino dos Resultados de uma Calibração Os resultados de uma calibração são geralmente destinados a uma das seguintes aplicações: a) Levantamento da curva de erros visando determinar se, nas condições em que foi calibrado, o sistema de medição está em conformidade com uma norma, especificação legal ou tolerância definida para o produto a ser medido, e conseqüente emissão de certificado. Efetuado periodicamente, garantirá a confiabilidade dos resultados da medição e assegurará correlação (rastreabilidade) aos padrões nacionais e internacionais; b) Levantamento da curva de erros visando determinar dados e parâmetros para a operação de ajuste do sistema de medição; c) Levantamento detalhado da curva de erros e tabelas com valores da correção e sua incerteza, com o objetivo de corrigir os efeitos sistemáticos, visando reduzir a
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incerteza do resultado da medição (capítulo 7). A aplicação da correção poderá ser efetuada manual ou automaticamente; d) Análise do comportamento metrológico e operacional dos sistemas de medição nas fases de desenvolvimento e aperfeiçoamento, incluindo a análise das grandezas externas que influem no seu comportamento; e) Análise do comportamento metrológico e operacional dos sistemas de medição em condições especiais de operação (por exemplo: elevadas temperaturas, na ausência de gravidade, em elevadas pressões, etc); Adicionalmente, a calibração deve ser efetuada quando, por alguma razão, se deseja o levantamento mais detalhado sobre o comportamento metrológico de um sistema de medição, sobre o qual existe dúvida ou suspeita de funcionamento irregular.
5.3 Métodos de Calibração 5.3.1 Calibração Direta A parte superior da figura 6.1 ilustra o método de calibração direta. O mensurado é aplicado sobre o sistema de medição por meio de medidas materializadas, cada qual com seu valor verdadeiro convencional suficientemente conhecido. São exemplos de medidas materializadas: blocos padrão (comprimento), massas padrão, pontos de fusão de substâncias puras, entre outras.
É necessário dispor de uma coleção de medidas materializadas suficientemente completa para cobrir toda a faixa de medição do instrumento. As indicações dos sistemas de medição são confrontadas com cada valor verdadeiro convencional e a correção e sua incerteza são estimadas por meio de medições repetitivas. 5.3.2 Calibração Indireta Não seria fácil calibrar o velocímetro de um automóvel utilizando a calibração direta. O conceito de medida materializada não se aplica à velocidade. As constantes físicas naturais, como a velocidade de propagação do som no ar ou nos líquidos, ou mesmo a velocidade da luz, são inapropriadas para este fim. A solução para este problema passa
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pela calibração indireta. Este método é ilustrado na parte inferior da figura 6.1. O mensurado é gerado por meio de um dispositivo auxiliar, que atua simultaneamente no sistema de medição a calibrar (SMC) e também no sistema de medição padrão (SMP), isto é, um segundo sistema de medição que não apresente erros superiores a 1/10 dos erros do S MC. As indicações do SMC são comparadas com as do SMP, sendo estas adotadas como VVC, e os erros são determinados. Para calibrar o velocímetro de um automóvel pela calibração indireta, o automóvel é posto em movimento. Sua velocidade em relação ao solo, além de indicada pelo velocímetro, é também medida por meio de um sistema de medição padrão, cujos erros sejam 10 vezes menores que os erros do velocímetro a calibrar. Este SMP pode ser, por exemplo, constituído por uma quinta roda, afixada na parte traseira do automóvel, ou, hoje é comum a utilização de sensores que usam um raio laser dirigido ao solo e, pela análise do tipo de sinal que retorna, determinar a velocidade real do automóvel com baixas incertezas. Neste exemplo o próprio automóvel é o gerador da grandeza padrão, isto é, da velocidade, que é simultaneamente submetida a ambos os sistemas de calibração. Para levantar a curva de erros, o automóvel deve trafegar em diferentes patamares de velocidade repetidas vezes. Algumas vezes não se dispõe de um único sistema de medição padrão que englobe toda a faixa de medição do SMC. Neste caso, é possível utilizar diversos SMPs de forma complementar. Por exemplo: - deseja-se calibrar um termômetro entre 20 e 35 °C; - não se dispõe de um padrão que, individualmente, cubra esta faixa completamente; - dispõe-se de um termômetro padrão para a faixa 20 a 30 °C e outro para 30 a 40 °C; - o termômetro a calibrar é parcialmente calibrado para a faixa de 20 a 30 °C contra o primeiro padrão; - o restante da calibração, entre 30 e 35 °C, é completado contra o segundo padrão. 5.3.3 Padrões para Calibração Para que o valor da medida materializada, ou o indicado pelo SMP, possa ser adotado como valor verdadeiro convencional (VVC), é necessário que seus erros sejam sensivelmente menores que os erros esperados no SMC. Tecnologicamente, quanto menores os erros do padrão melhor. Economicamente, quanto menores os erros do padrão, mais caro este é. Procurando buscar o equilíbrio técnico-econômico, adota-se como padrão um elemento que, nas condições de calibração e para cada ponto de calibração, apresente incerteza não superior a um décimo da incerteza esperada para o sistema de medição a calibrar. Assim:
Na equação acima, U representa a incerteza expandida, que corresponde à faixa de dúvidas que resultam das medições efetuadas com os respectivos sistemas de medição. Este conceito será detalhado nos capítulos 8 e 9. Desta forma, o SMP apresentará ao menos um dígito confiável a mais que o SMC, o que é suficiente para a determinação dos erros deste último. Excepcionalmente, em casos onde é muito difícil ou caro de se obter um padrão 10 vezes superior ao SMC, usa-se o limite de 1/5 ou até mesmo 1/3 para a razão entre as incertezas do SMP e o SMC. Este últimos devem ser analisados com cuidado para que a incerteza da calibração não venha a ser muito elevada. Em função da mudança do comportamento do instrumento com a velocidade de variação do mensurado, distinguem-se a calibração estática e a dinâmica. Apenas nos instrumentos de ordem zero a calibração estática coincide com a dinâmica. Nos demais
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casos, é necessário determinar a resposta do SM para diversas freqüências de variação do mensurado. Qualquer sistema de medição deve ser calibrado periodicamente. Este período é, algumas vezes, especificado por normas, ou fabricantes de instrumentos, ou outras fontes como laboratórios de calibração, porém são influenciados pelas condições e/ou freqüência de uso. Para a calibração de um SM em uso na indústria, são geralmente usados padrões dos laboratórios da própria indústria. Entretanto, estes padrões precisam ser calibrados periodicamente, o que é executado por laboratórios secundários da RBC. Mas também estes padrões precisam ser calibrados por outros que, por sua vez, também necessitam de calibração e assim por diante... Estabelece-se assim uma hierarquia que irá terminar nos padrões primários internacionais, ou mesmo, na própria definição da grandeza. A calibração periódica dos padrões garante a rastreabilidade internacional, o que elimina o risco do "metro francês" ser diferente do "metro australiano". Como exemplo, cita-se a figura 6.2, onde se exemplifica a correlação entre os padrões. Isto garante a coerência das medições no âmbito mundial.
5.4 Procedimento Geral de Calibração Normalmente objetiva-se determinar o comportamento operacional e metrológico do sistema de medição na sua integralidade, isto é, do conjunto formado pelos módulos sensor/transdutor, transmissão ou tratamento de sinal, dispositivo mostrador e demais, que compõem a cadeia de medição. Este sistema de medição pode apresentar-se de forma independente (ex: manômetro, máquina de medir por coordenadas) ou pode estar integrado a um sistema composto de vários elementos interligáveis fisicamente (ex: célula de carga + amplificador da máquina de ensaio de materiais, termômetro de um reator nuclear, formado por termopar + cabo de compensação + voltímetro). Não é raro, especialmente nas fases de desenvolvimento e fabricação de módulos, ser inviável a calibração do sistema de medição como um todo. Esta dificuldade pode surgir em função do porte e complexidade do sistema ou da dificuldade tecnológica de se
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obter uma grandeza padrão com a qualidade necessária ou de se manter todas as variáveis influentes sob controle. Nestes casos, é comum efetuar calibrações separadamente em alguns módulos do sistema, tendo sempre em vista que estes devem apresentar um sinal de saída definido (resposta) para um sinal de entrada conhecido (estímulo). A análise do desempenho individual de cada módulo possibilita a determinação das características de desempenho do conjunto. Freqüentemente um módulo isolado não tem condições de operar plenamente. É necessário acrescentar elementos complementares para formar um SM que tenha condições de operar. Para que estes elementos complementares não influam de forma desconhecida sobre o módulo a calibrar, é necessário que o erro máximo introduzido por cada elemento não seja superior a um décimo do erro admissível ou esperado para o módulo a calibrar. Esta situação é ilustrada na figura 6.3. Supondo que o sistema de medição normal (0) tenha módulos com incertezas relativas da ordem de 1% e desejando-se efetuar a calibração do sensor transdutor isoladamente, é necessário compor um outro sistema de medição, o SM1. Neste sistema, são empregados uma unidade de tratamento de sinais e um dispositivo mostrador (1), com incerteza relativa máxima de 0,1%. Garantido estes limites, pode-se afirmar que os erros do SM1 são gerados exclusivamente no transdutor (0), visto que os demais módulos contribuem com parcelas de incerteza significativamente menores. Ainda na figura 6.3, no caso em que se deseje calibrar isoladamente a unidade de tratamento de sinais (0), deverá ser composto o SM2, formado por um sensor/transdutor e um dispositivo mostrador que apresentem incertezas insignificantes. Neste caso, em geral, o sensor transdutor é substituído por um gerador de sinais equivalente. Este sinal, no entanto, não deve estar afetado de um erro superior a um décimo do admitido na operação da unidade de tratamento de sinais. Na prática, existem alguns sistemas de medição que fornecem, para grandezas vetoriais, diversas indicações (ex: as três componentes cartesianas de uma força, as três coordenadas da posição de um ponto apalpado). A calibração deste sistema é normalmente efetuada para cada uma destas componentes do vetor isoladamente, da forma usual. Deve-se adicionalmente verificar se há influência da variação de uma das componentes sobre as demais, ou seja, os coeficientes de influência.
5.5 Procedimento Geral de Calibração A calibração de sistemas de medição é um trabalho especializado e exige amplos conhecimentos de metrologia, total domínio sobre os princípios e o funcionamento do sistema de medição a calibrar (SMC), muita atenção e cuidados na sua execução e uma elevada dose de bom senso. Envolve o uso de equipamento sofisticado e de alto custo. Recomenda-se sempre usar um procedimento de calibração documentado, segundo exigências de normas NBR/ISO. Quando tais procedimentos de calibração não existirem, devem ser elaborados com base em informações obtidas de normas técnicas, recomendações de fabricantes e informações do usuário do SM em questão, complementados com a observância das regras básicas da metrologia e no bom senso. A seguir, apresenta-se uma proposta de roteiro geral a ser seguido para a calibração de um SM qualquer. Esta proposta deve ser entendida como orientativa apenas, devendo ser analisado caso a caso a conveniência de adotar, modificar ou acrescentar as recomendações sugeridas. Quando trata-se de um trabalho não rotineiro, de cunho técnico-científico, e muitas vezes de alta responsabilidade, é fundamental que sejam registrados todos os eventos associados com o desenrolar da atividade, na forma de um memorial de calibração. Esta proposta de roteiro genérico de uma calibração está estruturada em oito etapas: Etapa 1- Definição dos objetivos: Deve-se definir claramente o destino das informações geradas. A calibração poderá ser realizada com diferentes níveis de abrangência dependendo do destino dos
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resultados. Por exemplo: dados para ajustes e regulagens: o estudo se restringirá a apenas alguns poucos pontos da faixa de medição do SMC; levantamento da curva de erros para futura correção: definidas as condições de operação, deve-se programar uma calibração com grande número de pontos de medição dentro da faixa de medição do SMC, bem como, realizar grande número de ciclos para reduzir a incerteza nos valores da tendência ou da correção ; dados para verificação: o volume de dados a levantar tem uma intensidade intermediária, orientada por normas e recomendações específicas da metrologia legal; avaliação completa do SMC: compreende, na verdade, diversas operações de calibração em diferentes condições operacionais (ex: influência da temperatura, tensão da rede, campos eletromagnéticos, vibrações, etc); Etapa 2 - Identificação do Sistema de Medição a Calibrar (SMC) É fundamental um estudo aprofundado do SMC: manuais, catálogos, normas e literatura complementar, visando: identificar as características metrológicas e operacionais esperadas. Deve-se procurar identificar todas as características possíveis, seja do sistema como um todo ou seja dos módulos independentes; conhecer o modo de operação do SMC: na calibração é necessário que se utilize o sistema corretamente e para isso é necessário conhecer todas as recomendações dadas pelo fabricante. Operar o sistema apenas com base na tentativa pode levar a resultados desastrosos; documentar o SMC: a calibração será válida exclusivamente para o instrumento analisado, sendo portanto necessário caracteriza-lo perfeitamente (número de fabricação, série, modelo, etc); Etapa 3 - Seleção do Sistema de Medição Padrão (SMP) Com base nos dados levantados na etapa anterior, selecionar, dentre os disponíveis, o SMP apropriado, considerando: a incerteza do SMP nas condições de calibração idealmente não deve ser superior a um décimo da incerteza esperada para o SMC. É importante observar que se estas estão expressas em termos percentuais, é necessário que ambas tenham o mesmo valor de referência, ou que seja efetuada as devidas compensações; faixa de medição: o SMP deve cobrir a faixa de medição do SMC. Vários SMP's podem ser empregados se necessário; Etapa 4 - Preparação do Experimento Recomenda-se efetuar o planejamento minucioso do experimento de calibração e das operações complementares, com a finalidade de reduzir os tempos e custos envolvidos e de se evitar que medições tenham que ser repetidas porque se “esqueceu” um aspecto importante do ensaio. O planejamento e a preparação do ensaio envolvem: executar a calibração adotando procedimento de calibração segundo documentado em normas específicas; quando o procedimento documentado não existir, realizar estudo de normas e manuais operativos, recomendações técnicas, de fabricantes e ou laboratórios de calibração; estudo do SMP: para o correto uso e a garantia da confiabilidade dos resultados, é necessário que o executor conheça perfeitamente o modo de operação e funcionamento do SMP; esquematização do ensaio: especificação da montagem a ser realizada, dos instrumentos auxiliares a serem envolvidos (medidores de temperatura, tensão da rede, umidade relativa, etc) e da seqüência de operações a serem seguidas; preparação das planilhas de coleta de dados: destinadas a facilitar a tomada dos dados, reduzindo a probabilidade de erros e esquecimentos na busca de informações;
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montagem do experimento, que deve ser efetuada com conhecimento técnico e máximo cuidado; Etapa 5 - Execução do Ensaio Deve seguir o roteiro fixado no procedimento de calibração. É importante não esquecer de verificar e registrar as condições de ensaio (ambientais, operacionais, etc). Qualquer anomalia constatada na execução dos trabalhos deve ser anotada no memorial de calibração, com identificação cronológica associada com o desenrolar do experimento. Estas informações podem ser úteis para identificar a provável causa de algum efeito inesperado que possa ocorrer. Etapa 6 - Processamento e Documentação dos Dados: Todos os cálculo realizados devem ser explicitados no memorial. A documentação dos dados e resultados de forma clara, seja como tabelas ou gráficos, é fundamental. Etapa 7 - Análise dos Resultados A partir da curva de erros, e dos diversos valores calculados para a faixa de medição, determinam-se, quando for o caso, os parâmetros reduzidos correspondentes às características metrológicas e operacionais. Estes valores são comparados às especificações do fabricante, usuário, normas, e dão lugar a um parecer final. Este parecer pode ou não atestar a conformidade do SMC com uma norma ou recomendação técnica, apresentar instruções de como e restrições das condições em que o SMC pode ser utilizado, etc. Etapa 8 - Certificado de Calibração A partir do memorial, gera-se o Certificado de Calibração, que é o documento final que será fornecido ao requisitante, no qual constam as condições e os meios de calibração, bem como os resultados e os pareceres. A norma NBR ISO 10 012-1 "Requisitos da Garantia da Qualidade para Equipamentos de Medição" prevê que os resultados das calibrações devem ser registrados com detalhes suficientes de modo que a rastreabilidade de todas as medições efetuadas com o SM calibrado possam ser demonstradas, e qualquer medição possa ser reproduzida sob condições semelhantes às condições originais. As seguintes informações são recomendadas para constar no Certificado de Calibração: a) descrição e identificação individual do SM a calibrar; b) data da calibração; c) os resultados da calibração obtidos após, e quando relevante, os obtidos antes dos ajustes efetuados; d) identificação do(s) procedimento(s) de calibração utilizado(s); e) identificação do SM padrão utilizado, com data e entidade executora da sua calibração, bem como sua incerteza f) as condições ambientais relevantes e orientações expressas sobre quaisquer correções necessárias ao SM a calibrar; g) uma declaração das incertezas envolvidas na calibração e seus efeitos cumulativos; h) detalhes sobre quaisquer manutenções, ajustes, regulagens, reparos e modificações realizadas; i) qualquer limitação de uso (ex: faixa de medição restrita); j) identificação e assinaturas da(s) pessoa(s) responsável(eis) pela calibração bem como do gerente técnico do laboratório; k) identificação individual do certificado, com número de série ou equivalente. Para garantir a rastreabilidade das medições até os padrões primários internacionais, é necessário que o usuário defina, em função das condições de uso específicas do SM, os intervalos de calibração. Estes devem ser reajustados com base nos dados históricos das calibrações anteriores realizadas. Nos casos em que os dados histórios das calibrações anteriores não estiverem disponíveis, e outras informações do usuário do SM não forem suficientes para definir os intervalos de calibração, são recomendados a seguir alguns intervalos
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iniciais que podem ser usados. Todavia reajustes nestes intervalos deverão ser efetuados, com base nos resultados das calibrações subsequentes.
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O RESULTADO DA MEDIÇÃO A escola ensina que a área do território brasileiro é de 8 511 965 km 2. Alguém pode perguntar: "Com a maré alta ou baixa?". De fato, considerando grosseiramente que o litoral brasileiro possui cerca de 8.500 km de praia e que, em média, 20 m de praia são
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descobertos entre as marés alta e baixa, verifica-se só aí uma variação de 170 km 2. Atribuir nota zero a um aluno que errou os dois últimos dígitos em uma prova de geografia parece contrariar o bom senso! Adicionalmente, sabe-se que não existe forma de medir a área de uma extensão tão grande como a do Brasil com erro relativo tão pequeno quanto ± 0.000012 %, o que seria necessário para garantir o último dígito dos 8 511 965 km 2. Nem por terra, nem por satélite, ou outro meio conhecido, é ainda possível obter tal resultado. Em aplicações técnicas ou científicas, o resultado de uma medição deve apresentar sempre compromisso com a verdade. Deve ser uma informação segura. O resultado de uma medição deve espelhar aquilo que a técnica e o bom senso permitem afirmar, nada além, nada aquém. A credibilidade de um resultado é fundamental. Por exemplo, voltando à área do Brasil, não parece muito mais sensato afirmar seu valor é de (8.500.000 ± 100.000) km 2? Sabe-se que não existe um SM perfeito. Por menores que sejam, os erros de medição provocados pelo SM sempre existem. Logo, não se pode obter um resultado exato de um SM imperfeito. Porém, mesmo com um SM imperfeito é possível obter informações confiáveis. Neste capítulo serão detalhados os procedimentos que levam a correta determinação do chamado resultado da medição (RM), composto de um valor central, o resultado base (RB), e de uma faixa que quantifica a incerteza da medição (IM). Por razões didáticas este estudo é, neste texto, abordado de forma progressiva. No presente capítulo será considerada a situação idealizada em que os erros de medição são apenas decorrentes das imperfeições do sistema de medição (SM), perfeitamente caracterizados por sua correção, repetitividade ou, alternativamente, pelo seu erro máximo. Embora esta situação pareça artificial, é aplicável em uma grande quantidade de casos práticos em que os erros do sistema de medição são dominantes. Nos casos mais gerais, o operador, as condições ambientais, o procedimento de medição e outros fatores influem no resultado da medição. Estes casos serão tratados nos capítulos 8 a 11.
4-INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO Muitos termos diferentes são empregados para descrever os artefatos utilizados nas medições. Este vocabulário define somente uma seleção de termos preferenciais; a lista a seguir, mais completa, está organizada em ordem aproximadamente crescente de complexidade. Esses termos não são mutuamente excludentes. - elemento - componente - parte - transdutor de medição - dispositivo de medição - material de referência - medida materializada - instrumento de medição - aparelhagem - equipamento - cadeia de medição - sistema de medição - instalação de medição
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Instrumento de medição [ measuring instrument] Dispositivo utilizado para uma medição, sozinho ou em conjunto com dispositivo(s) complementar(es). 4.2 Medida materializada [material measure] Dispositivo destinado a reproduzir ou fornecer, de maneira permanente durante seu uso, um ou mais valores conhecidos de uma dada grandeza. Exemplo: a) Uma massa; b) Uma medida de volume ( de um ou vários valores, com ou sem escala); c) Um resistor elétrico padrão; d) Um bloco padrão; e) Um gerador de sinal padrão; f) Um material de referência. Observação: A grandeza em questão pode ser denominada grandeza fornecida. 4.3 Transdutor de medição [measuring transducer] Dispositivo que fornece uma grandeza de saída que tem uma correlação determinada com a grandeza de entrada. Exemplos: a) termopar; b) transformador de corrente; c) extensômetro elétrico de resistência [strain gauge]; d) eletrodo de pH. 4.4 Cadeia de medição [measuring chain] Sequência de elementos de um instrumento ou sistema de medição, que constitui o trajeto do sinal de medição desde o estímulo até a resposta. Exemplo: Uma cadeia de medição eletro-acústica compreende um microfone, atenuador, filtro, amplificador e voltímetro. 4.5 Sistema de medição [measuring system] Conjunto completo de instrumentos de medição e outros equipamentos acoplados para executar uma medição específica Exemplo: a) Aparelhagem para medição de condutividade de materiais semicondutores; b) Aparelhagem para calibração de termômetros clínicos. Observações: 1) O sistema pode incluir medidas materializadas e reagentes químicos. 2) Um sistema de medição que é instalado de forma permanente, é denominado instalação de medição 4.6 Instrumento (de medição) mostrador [ displaying ( measuring ) instrument] Instrumento (de medição) indicador [ indicating ( measuring ) instrument] Instrumento de medição que apresenta uma indicação. Exemplos:
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a) Voltímetro analógico b) Frequencímetro digital c) Micrômetro Observações: 1) A indicação pode ser analógica ( contínua ou descontínua) ou digital. 2) Valores de mais de uma grandeza podem ser apresentados simultaneamente 3) Um instrumento de medição indicador pode também fornecer um registro 4.7 Instrumento (de medição) registrador [ recording (measuring )] Instrumento de medição que fornece um registro da indicação. Exemplos: a) barógrafo b) dosímetro termoluminescente c) espectrômetro registrador Observações: 1) O registro (indicação) pode ser analógico ( linha contínua ou descontínua ) ou digital; 2) Valores de mais de uma grandeza podem ser registrados (apresentados) simultaneamente; 3) Um instrumento registrador pode também apresentar uma indicação. 4.8 Instrumento ( de medição ) totalizador [ totalizing ( measuring ) instrument] Instrumento de medição que determina o valor de um mensurando por meio da soma dos valores parciais desta grandeza, obtidos simultânea ou consecutivamente, de uma ou mais fontes. Exemplos: a) Plataforma ferroviária de pesagem totalizadora; b) Medidor totalizador de potência elétrica. 4.9 Instrumento ( de medição ) integrador [ integrating ( measuring ) instrument] Instrumento de medição que determina o valor de um mensurando por integração de uma grandeza em função de uma outra. Exemplo: Medidor de energia elétrica. 4.10 Instrumento ( de medição ) analógico [analogue measuring instrument] Instrumento de indicação analógica [analogue indicating instrument] Instrumento de medição no qual o sinal de saída ou a indicação é uma função contínua do mensurando ou do sinal de entrada. Observação: Este termo é relativo à forma de apresentação do sinal de saída ou da indicação e não ao princípio de funcionamento do instrumento. 4.11 Instrumento ( de medição ) digital [ digital measuring instrument] Instrumento de indicação digital [digital indicating instrument] Instrumento de medição que fornece um sinal de saída ou uma indicação em forma digital. Observação:
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Este termo é relativo à forma de apresentação do sinal de saída ou da indicação e não ao princípio de funcionamento do instrumento. 4.12 Dispositivo mostrador [displaying device] Dispositivo indicador [ indicating device] Parte de um instrumento de medição, que apresenta uma indicação. Observações: 1) Esse termo pode incluir o dispositivo no qual é apresentado ou alocado o valor de uma medida materializada;
2) Um dispositivo mostrador analógico fornece uma "indicação analógica", um dispositivo indicador digital fornece uma "indicação digital"; 3) É denominada indicação semi-digital, a forma de apresentação, tanto por meio de um indicador digital, no qual o dígito menos significativo move-se continuamente permitindo a interpolação, quanto por meio de um indicador digital, complementado por uma escala e índice. 4.13 Dispositivo registrador [ recording device] Parte de um instrumento de medição que fornece o registro de uma indicação. 4.14 Sensor [sensor ] Elemento de um instrumento de medição ou de uma cadeia de medição que é diretamente afetado pelo mensurando. Exemplos: a) Junta de medição de um termômetro termoelétrico (termopar); b) Rotor de uma turbina para medir vazão; c) Tubo de Bourdon de um manômetro d) Bóia de um instrumento de medição de nível; e) Fotocélula de um spectrofotômetro. Observação: Em alguns campos de aplicação é usado o termo "detector" para este conceito. 4.15 Detector [ detector] Dispositivo ou substância que indica a presença de um fenômeno sem necessariamente fornecer um valor de uma grandeza associada. Exemplos: a) Detector de vazamento de halogênio; b) Papel tornassol. Observações: 1) Uma indicação pode ser obtida somente quando o valor da grandeza atinge um, denominado às vezes limite de detecção do detector. 2) Em alguns campos de aplicação o termo "detector" é usado como conceito de sensor". 4.16 Índice [index] Parte fixa ou móvel de um dispositivo mostrador cuja posição em relação às marcas de escala permite determinar um valor indicado. Exemplos: a) Ponteiro;
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b) Ponto luminoso; c) Superfície de um líquido; d) Pena de registrador; 4.17 Escala ( de um Instrumento de medição ) [scale ( of a measuring instrument )] Conjunto ordenado de marcas, associado a qualquer numeração, que faz parte de um dispositivo mostrador de um instrumento de medição. Observação: Cada marca é denominada de marca de escala. 4.18 Comprimento de escala [scale length] Para uma dada escala, é o comprimento da linha compreendida entre a primeira e a última marca, passando pelo centro de todas as marcas menores. 1) A linha pode ser real ou imaginária, curva ou reta; 2) O comprimento da escala é expresso em unidades de comprimento, qualquer que seja a unidade do mensurando ou a unidade marcada sobre a escala. 4.19 Faixa de indicação [range of indication] Conjunto de valores limitados pelas indicações extremas, Observações: 1) Para um mostrador analógico pode ser chamado de faixa de escala; 2) A faixa de indicação é expressa nas unidades marcadas no mostrador, independentemente da unidade do mensurando e é normalmente estabelecida em termos dos seus limites inferior e superior, por exemplo 1 00 a C a 2000 C; 3) Ver observação do item 5.2 4.20 Divisão de escala [scale division] Parte de uma escala compreendida entre duas marcas sucessivas quaisquer. 4.21 Comprimento de uma divisão [scale spacing] Distáncia entre duas marcas sucessivas quaisquer, medidas ao longo da linha do comprimento de escala. Observação: O comprimento de uma divisão é expresso em unidades de comprimento, qualquer que seja a unidade do mensurando ou a unidade marcada sobre a escala. 4.22 Valor de uma divisão [scale interval] Diferença entre os valores da escala correspondentes a duas marcas sucessivas. Observação: O valor de uma divisão é expresso na unidade marcada sobre a escala, qualquer que seja a unidade do mensurando. 4.23 Escala linear [linear scale] Escala na qual cada comprimento de uma divisão está relacionado com o valor de uma divisão correspondente, por um coeficiente de proporcionalidade constante ao longo da escala. Observação: Uma escala linear cujos valores de uma divisão são constantes, é denominada "escala
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regular'.' 4.24 Escala não-linear [nonlinear scale] Escala na qual cada comprimento de uma divisão está relacionado com o valor de uma divisão correspondente, por um coeficiente de proporcionalidade que não é constante ao longo da escala. Observação: Algumas escalas não-lineares possuem nomes especiais como "escala logarítmica", "escala quadrática". 4.25 Escala com zero suprimido [supressed-zero scale] Escala cuja faixa de indicação não inclui o valor zero. Exemplo: Escala de um termômetro clínico, 4.26 Escala expandida [expanded scale] Escala na qual parte da faixa de indicação ocupa um comprimento da escala que é desproporcionalmente maior do que outras partes. 4.27 Mostrador [dial] Parte fixa ou móvel de um dispositivo mostrador no qual estão a ou as escalas. Observação: Em alguns dispositivos mostradores o mostrador tem a forma de cilindros ou de discos numerados que se deslocam em relação a um índice fixo ou a uma janela. 4.28 Numeração da escala [scale numbering] Conjunto ordenado de números associados às marcas da escala. 4.29 Marcação da escala ( de um instrumento de medição ) [gauging ( of a measuring instrument )] Operação de fixar as posições das marcas da escala de um instrumento de medição ( em alguns casos apenas certas marcas principais ) em relação aos valores correspondentes do mensurando. Ajuste ( de um instrumento de medição ) [ adjust ment ( of a measuring instrument )] Operação destinada a fazer com que um instrumento de medição tenha desempenho compatível com o seu uso. Observação: O ajuste pode ser automático, semi-automático ou manual. 4.31 Regulagem (de um Instrumento de medição) [user adjustment (of a measuring instrument )] Ajuste, empregando somente os recursos disponíveis no instrumento para o usuário.
5 .CARACTERÍSTICAS DOS INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO
Alguns dos termos utilizados para descrever as características de um instrumento de medição são igualmente aplicáveis a dispositivos de medição, transdutores de medição ou a um sistema de medição e por analogia podem também ser aplicados a uma medida materializada ou a um material de referência.
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O sinal de entrada de um sistema de medição pode ser chamado de estímulo: O sinal de saída pode ser chamado de resposta. Neste capítulo o termo "mensurando" significa a grandeza aplicada a um instrumento de medição. 5.1 Faixa nominal [nominal range] Faixa de indicação que se pode obter em uma posição específica dos controles de um instrumento de medição. Observações: 1) Faixa nominal é normalmente definida em termos de seus limites inferior e superior, por exemplo, 100 a 200º C. Quando o limite inferior é zero, a faixa nominal é definida unicamente em termos do limite superior, por exemplo, a faixa nominal de 0 V a 100 V é expressa como "100 V". 2) Ver observação do item 5.2. 5.2 Amplitude da faixa nominal [span] Diferença, em módulo, entre os dois limites de uma faixa nominal. Exemplo: Para uma faixa nominal de -10V a +10 V a amplitude da faixa nominal é 20 V. Observação: Em algumas áreas, a diferença entre o maior e o menor valor é denominada faixa. 5.3 Valor nominal [nominal value] Valor arredondado ou aproximado de uma característica de um instrumento de medição que auxilia na sua utilização. Exemplos: a) 100 ∧ como valor marcado em um resistor padrão; b) 1 L como valor marcado em um recipiente volumétrico com uma só indicação; c) 0,1 mol / L como a concentração da quantidade de matéria de uma solução de ácido clorídrico, HCI. d) 25º C como ponto pré-selecionado de um banho controlado termostáticamente. 5.4 Faixa de medição [measuring range] Faixa de trabalho [working range] Conjunto de valores de um mensurando para o qual admite-se que o erro de um instrumento de medição mantém-se dentro dos limites especificados. Observações: 1) "erro" é determinado em relação a um valor verdadeiro convencional. 2) Ver observação do item 5.2 5.5 Condições de utilização [ rated operating conditions] Condições de uso para as quais as características metrológicas especificadas de um instrumento de medição mantém-se dentro de limites especificados. Observação: As condições de utilização geralmente especificam faixas ou valores aceitáveis para o mensurando e para as grandezas de influência, 5.6 Condições limites [ limiting conditions]
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Condições extremas nas quais um instrumento de medição resiste sem danos e degradação das características metrológicas especificadas, as quais são mantidas nas condições de funcionamento em utilizações subsequentes. Observações: 1) As condições limites para armazenagem, transporte e operação podem ser diferentes; 2) As condições limites podem incluir valores limites para o mensurando e para as grandezas de influência. 5.7 Condições de referência [reference conditions] Condições de uso prescritas para ensaio de desempenho de um instrumento de medição ou para intercomparação de resultados de medições. Observação: As condições de referência geralmente incluem os valores de referência ou as faixas de referência para as grandezas de influência que afetam o instrumento de medição. 5.8 Constante de um instrumento [instrument constant] Fator pelo qual a indicação direta de um instrumento de medição deve ser multiplicada para obter-se o valor indicado do mensurando ou de uma grandeza utilizada no cálculo do valor do mensurando Observações: 1) Instrumentos de medição com diversas faixas com um único mostrador, têm várias constantes que correspondem, por exemplo, a diferentes posições de um mecanismo seletor. 2) Quando a constante for igual a um, ela geralmente não é indicada no instrumento. 5.9 Característica de resposta [response characteristic] Relação entre um estímulo e a resposta correspondente, sob condições definidas. Exemplo: A força eletromotriz (fem ) de um termopar como função da temperatura. Observações: 1) A relação pode ser expressa na forma de uma equação matemática, uma tabela numérica ou um gráfico. 2) Quando o estímulo varia como uma função do tempo uma forma de característica de resposta é a função de transferência ( transformada de Laplace" da resposta dividida pela do estímulo). 5.10 Sensibilidade [sensitivity] Variação da resposta de um instrumento de medição dividida pela correspondente variação do estímulo Observação: A sensibilidade pode depender do valor do estímulo. 5.11 (Limiar de ) Mobilidade [discrimination (threshold )] Maior variação no estímulo que não produz variação detectável na resposta de um instrumento de medição, sendo a variação no sinal de entrada lenta e uniforme. Observação: O limiar de mobilidade pode depender, por exemplo, de ruído (interno ou externo ) ou
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atrito. Pode depender também do valor do estímulo. 5.12 Resolução ( de um dispositivo mostrador) [resolution ( of a displaying device )] Menor diferença entre indicações de um dispositivo mostrador que pode ser significativamente percebida. Observações: 1) Para dispositivo mostrador digital, é a variação na indicação quando o dígito menos significativo varia de uma unidade. 2) Este conceito também se aplica a um dispositivo registrador. 5.13 Zona morta [dead band] Intervalo máximo no qual um estimulo pode variar em ambos os sentidos sem produzir variação na resposta de um instrumento de medição. Observações: 1) A zona morta pode depender da taxa de variação. 2) A zona morta, algumas vezes pode ser deliberadamente ampliada de modo a prevenir variações na resposta para pequenas variações no estimulo. 5.14 Estabilidade [stability] Aptidão de um instrumento de medição em conservar constantes suas características metrológicas ao longo do tempo. Observações: 1) Quando a estabilidade for estabelecida em relação a uma outra grandeza que não o tempo, isto deve ser explicitamente mencionado; 2) A estabilidade pode ser quantificada de várias maneiras, por exemplo: - pelo tempo no qual a característica metrológica, varia de um valor determinado; ou - em termos da variação de uma característica em um determinado período de tempo. 5.15 Neutralidade [transparency] Aptidão de um instrumento de medição em não alterar o valor do mensurando. Exemplos: 1) Uma balança é um instrumento discreto para medição de massas 2) Um termômetro de resistência que aquece o meio no qual a temperatura está sob medição, não é discreto. 5.16 Deriva [drlft] Variação lenta de uma característica metrológica de um instrumento de medição. Exemplo: variação na sensibilidade com o passar dos anos. 5.17 Tempo de resposta [response time] Intervalo de tempo entre o instante em que um estímulo é submetido a uma variação brusca e o instante em que a resposta atinge e permanece dentro de limites especificados em torno do seu valor final estável. 5.18 Exatidão de um instrumento de medição [accuracy of a measuring instrument] Aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro. Observação:
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Exatidão é um conceito qualitativo. 5.19 Classe de exatidão [accuracy class] Classe de instrumentos de medição que satisfazem a certas exigências metrológicas destinadas a conservar os erros dentro de limites especificados. Observação: Uma classe de exatidão é usualmente indicada por um número ou símbolo adotado por convenção e denominado índice de classe. 5.20 Erro ( de indicação ) de um instrumento de medição [error ( of indication ) of a measuring instrument] Indicação de um instrumento de medição menos um valor verdadeiro da grandeza de entrada correspondente, Observações: 1) Uma vez que um valor verdadeiro não pode ser determinado, na prática é utilizado um valor verdadeiro convencional (ver 1.19 e 1.20). 2) Este conceito aplica-se principalmente quando o instrumento é comparado a um padrão de referência. 3) Para uma medida materializada, a indicação é o valor atribuído a ela. 5.21 Erros máximos admissíveis ( de um instrumento de medição ) [ maximum permissible errors ( of a measuring instrument )] Limites de erros admissíveis ( de um instrumento de medição ) [ Limits of permissible error ( of a measuring instrument )] Valores extremos de um erro admissível por especificações, regulamentos, etc para um dado instrumento de medição. 5.22 Erro no ponto de controle ( de um instrumento de medição) [datum error ( of a measuring instrument )] Erro de um instrumento de medição em uma indicação especificada ou em um valor especificado do mensurando, escolhido para controle do instrumento. 5.23 Erro no zero ( de um instrumento de medição ) [ zero error ( of a measuring instrument )] Erro no ponto de controle de um instrumento de medição para o valor zero do mensurando. 5.24 Erro intrínseco ( de um instrumento de medição ) [intrinsic error ( of a measuring instrument)] Erro de um instrumento de medição, determinado sob condições de referência. 5.25 Tendência ( de um instrumento de medição) [bias ( of a measuring instrument )] Erro sistemático da indicação de um instrumento de medição. Observação: 1) Tendência de um instrumento de medição é normalmente estimada pela média dos erros de indicação de um número apropriado de medições repetidas. 5.26 Isenção de tendência ( de um instrumento de medição > [freedom from bias ( of a
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measuring\instrument )] Aptidão de um instrumento de medição em dar indicações isentas de erro sistemático 5.27 Repetitividade ( de um instrumento de medição ) [repeatabiíity ( of a measuring instrument )] Aptidão de um instrumento de medição fornecer indicações muito próximas, em repetidas aplicações do mesmo mensurando, sob as mesmas condições de medição. Observações: 1) Estas condições incluem: - redução ao mínimo das variações devido ao observador; - mesmo procedimento de medição; - mesmo observador; - mesmo equipamento de medição, utilizado nas mesmas condições; - mesmo local; - repetições em um curto período de tempo. 2) Repetibilidade pode ser expressa quantitativamente em termos das características da dispersão das indicações. 6 .PADRÕES 6.1 Padrão [(measurement ) standard] Medida materializada, instrumento de medição, material de referência ou sistema de medição destinado a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um ou mais valores de uma grandeza para servir como referência. Exemplos: a) Massa padrão de 1 kg; b) Resistor padrão de 100∧; c) Amperímetro padrão; d) Padrão de freqüência de césio; e) Eletrodo padrão de hidrogênio; f) Solução de referência de cortisol no soro humano, tendo uma concentração certificada. Observações: 1) Um conjunto de medidas materializadas similares ou instrumentos de medição que utilizados em conjunto, constituem um padrão coletivo. 2) Um conjunto de padrões de valores escolhidos que, individualmente ou combinados formam uma série de valores de grandezas de uma mesma natureza é denominado coleção padrão. 6.2 Padrão Internacional [ International ( measurement ) standard] Padrão reconhecido por um acordo internacional para servir, internacionalmente, como base para estabelecer valores a outros padrões da grandeza a que se refere. Padrão nacional [national ( measurement) standard] Padrão reconhecido por uma decisão nacional para servir, em um pais, como base para estabelecer valores a outros padrões da grandeza a que se refere. 6.4 Padrão primário [primary standard] Padrão que é designado ou amplamente reconhecido como tendo as mais altas
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qualidades metrológicas e cujo valor é aceito sem referência a outros padrões de mesma grandeza. Observação: O conceito de padrão primário é igualmente válido para grandezas de base e para grandezas derivadas. 6.5 Padrão secundário [secondary standard] Padrão cujo valor é estabelecido por comparação a um padrão primário da mesma grandeza. 6.6 Padrão de referência [reference standard] Padrão, geralmente tendo a mais alta qualidade metrológica disponível em um dado local ou em uma dada organização, a partir do qual as medições lá executadas são derivadas. 6.7 Padrão de trabalho [working standard] Padrão utilizado rotineiramente para calibrar ou controlar medidas materializadas, instrumentos de medição ou materiais de referência. 1) Um padrão de trabalho é, geralmente calibrado por comparação a um padrão de referência. 2) Um padrão de trabalho utilizado rotineiramente para assegurar que as medições estão sendo executadas corretamente é chamado padrão de controle. 6.8 Padrão de transferência [transfer standard] Padrão utilizado como intermediário para comparar padrões Observação: O termo dispositivo de transferência deve ser utilizado quando o intermediário não é um padrão. 6.9 Padrão Itinerante [travelling standard] Padrão, algumas vezes de construção especial, para ser transportado entre locais diferentes. Exemplo: Padrão de freqüência de césio, portátil, operado por bateria. 6.10 Rastreabilidade [traceability] Propriedade do resultado de uma medição ou do valor de um padrão estar relacionado a referências estabelecidas, geralmente padrões nacionais ou internacionais, através de uma cadeia continua de comparações, todas tendo incertezas estabelecidas. Observações: 1) O conceito é, geralmente expresso pelo adjetivo rastreável; 2) Uma cadeia contínua de comparações é denominada de cadeia de rastreabilidade. Calibração [calibration] Conjunto de operações que estabelece, sob condições especificadas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição ou sistema de medição ou valores representados por uma medida materializada ou um material de referência, e os valores correspondentes das grandezas estabelecidos por padrões. Observações:
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1) O resultado de uma é calibração permite tanto o estabelecimento dos valores do objeto da medição para as indicações, como a determinação das correções a serem aplicadas. 2) Uma calibração pode também determinar outras propriedades metrológicas como o efeito das grandezas de influência. 3) O resultado de uma calibração pode ser registrado em um documento, algumas vezes denominado certificado de calibração ou relatório de calibração. 6.12 Conservação de um padrão [ conservation of a ( measurement ) standard] Conjunto de operações necessárias para preservar as características metrológicas de um padrão dentro de limites apropriados. Observação: As operações normalmente incluem calibração periódica, armazenamento em condições adequadas e utilização cuidadosa. 6.13 Material de referência ( MR) [reference material ( RM )] Material ou substância que tem um ou mais valores de propriedades que são suficientemente homogêneos e bem estabelecidos para ser usado na calibração de um aparelho, na avaliação de um método de medição ou atribuição de valores a materiais. Observação: Um material de referência pode ser uma substância pura ou uma mistura, na forma de gás, líquido ou sólido. Exemplos são a água utilizada na calibração de viscosímetros, safira com um calibrador da capacidade calorifica em calorímetria, misturas gasosas para analisadores e soluções utilizadas para calibração em análises químicas. 6.14 Material de referência certificado ( MRC ) [certified reference material ( CRM )] Material de referência, acompanhado por um certificado, com um ou mais valores de propriedades, e certificados por um procedimento que estabelece sua rastreabilidade à obtenção exata da unidade na qual os valores da propriedade são expressos, e cada valor certificado é acompanhado por uma incerteza para um nível de confiança estabelecido. Observações: 1) A definição de "certificado de material de referência" é dada no item 4.2* 2) Os MRC são geralmente preparados em lotes, para os quais o valor de cada propriedade considerada é determinado dentro de limites de incerteza estabelecidos por medições em amostras representativas de todo o lote. 3) As propriedades certificadas de materiais de referência certificados são, algumas vezes, obtidas convenientemente e de forma confiável quando o material é incorporado em um dispositivo fabricado especialmente, por exemplo uma substância de ponto triplo conhecido em uma célula de ponto triplo, um vidro com densidade óptica conhecida dentro de um filtro de transmissão, esferas de granulometria uniforme montadas na lâmina em um microscópio. Esses dispositivos também podem ser considerados como MRC. 4) Todos MRC atendem à definição de "padrões" dada no "Vocabulário internacional de termos fundamentais e gerais de metrologia (VIM)". 5) Alguns MR e MRC têm propriedades as quais, em razão deles não serem correlacionados com uma estrutura química estabelecida ou por outras razões, não
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podem ser determinadas por métodos de medição físicos e químicos exatamente definidos. Tais materiais incluem certos materiais biológicos como as vacinas para as quais uma unidade internacional foi determinada pela Organização Mundial de Saúde.
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