Princípios de metrologia

Princípios de metrologia

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Capítulo 2 – Princípios de Metrologia

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2.

PRINCÍPIOS DE METROLOGIA

2.1

METROLOGIA: UMA CIÊNCIA MULTIDISCIPLINAR

2.1.1

Metrologia e medição

A metrologia sempre teve um papel destacado na sociedade. Ela está presente em quase todos os ramos de atividade, mesmo naqueles em que os conhecimentos requeridos para praticá-la sejam os mais elementares. Ela pode ser praticada em diferentes casos como produção industrial, saúde, proteção ambiental, segurança e validação de teorias. Um dos assuntos frequentemente associados à metrologia é a qualidade. A avaliação da qualidade envolve aspectos qualitativos e quantitativos, no desenvolvimento de atividades que resultam em produtos e serviços. A avaliação mais rigorosa inevitavelmente requer a determinação experimental de grandezas. E é neste tópico que a metrologia se destaca.

As aplicações e estudos pertinentes à metrologia requerem conhecimentos abrangentes e distintos, como sobre princípios de funcionamento dos instrumentos de medição, informática, matemática, e fenômenos de natureza física e não-física. Assim, metrologia pode ser considerada uma ciência multidisciplinar e que trata de todos os aspectos envolvidos com sua prática.

No Vocabulário Internacional de Metrologia (VIM), versão publicada em português pelo INMETRO, conforme Portaria no 029, de 10 de março de 1995, consta a seguinte definição para o termo metrologia: “Ciência da medição”. Na nova versão, VIM 2008, tem-se: “metrologia: ciência da medição e suas aplicações”.

Pelo que se observa dessas definições, e lembrando a abordagem inicial do capítulo anterior, o significado da metrologia está atrelado ao de medição. Então, deve-se esclarecer o que é medição. Esta palavra representa essencialmente uma ação que visa obter o valor de uma grandeza escolhida como um exemplo de informação quantificada, para avaliar um objeto da medição. Portanto, uma definição que considera esta interpretação é: medição é uma operação de coleta de informações sobre o objeto sob investigação, envolvendo técnicas, instrumentos de medição e referências de comparação.

De acordo com o VIM 1995, “medição é o conjunto de operações que tem por objetivo determinar o valor de uma grandeza”. No VIM 2008, “medição é o processo de obtenção experimental de um ou mais valores que podem ser, razoavelmente, atribuídos a uma grandeza”.

Uma definição bem mais antiga, atribuída a MALIKOV (em KARANDEYEV) é aqui traduzida como: “medição é um procedimento que consiste essencialmente na comparação de uma dada grandeza com outra grandeza de mesma espécie, escolhida como unidade, mediante um experimento físico”.

Em algumas bibliografias, consta a definição de medir. Esta palavra é aqui interpretada como o ato de determinar experimentalmente o valor de uma grandeza, ou seja, basicamente o mesmo que medição.

Nas três definições de medição apresentadas, aparecem as palavras: operação, processo e procedimento. Com estas, frequentemente são mencionados os termos: operação de medição, processo de medição e procedimento de medição. No contexto de definição, são aqui também interpretadas como tendo essencialmente o mesmo significado de medição.

2.1.2

Objetivos e aplicações da metrologia

O objetivo fundamental da metrologia, encarada como um processo de medição, é obter informações daquilo que desperta a curiosidade investigativa do homem. As informações obtidas melhoram a percepção e contribuem para aumentar o conhecimento sobre os objetos investigados e as relações neles existentes entre características, estados e fenômenos. Ganha-se uma melhor compreensão para criar modelos, formular leis e teoremas, e propor ações.

Para avaliar os objetos investigados, escolhem-se atributos representativos e adequados aos objetivos específicos desejados. Esses atributos constituem as informações procuradas que, quando quantificadas, são as grandezas físicas e não-físicas escolhidas para medir. Grandezas físicas geralmente dizem respeito aos problemas de engenharia, e grandezas não-físicas são de interesse de ciências tais como biológicas e sociais. A seguir, são comentados objetivos específicos da metrologia, aplicáveis a diversas áreas do conhecimento.

Pesquisa. A pesquisa é a melhor caracterização da investigação. Nela, objetiva-se aumentar e aprofundar conhecimentos sobre fenômenos e estados naturais, artificiais e físicos, e também validar teorias e testar relações empíricas. Na pesquisa, geralmente requer-se alto grau de confiança, qualidade e sofisticação dos instrumentos de medição. Muitas vezes, são criados instrumentos especiais para as medições de pesquisa.

Medição de grandezas de objetos consumíveis. Os exemplos clássicos de grandezas de objetos consumíveis são: energia elétrica, volume de água ou de gás, e tempo de telefonemas. Elas são medidas continuamente e seus valores apresentados a cada momento ou acumulados. Nestes casos, costuma-se dizer que tais grandezas são monitoradas. Para este tipo de aplicação, requer-se que os erros dos instrumentos de medição sejam conhecidos e frequentemente averiguados (inclusive por imposição legal), de modo a evitar custos lesivos aos usuários. Outro exemplo cotidiano são os alimentos, pré-medidos em volume ou massa, ou medidos em balanças nos estabelecimentos comerciais.

Segurança. Neste tipo de aplicação, as medições são necessárias para garantir a segurança humana e ao seu meio ambiente, bem como de outros seres que co-habitam o mesmo ambiente. Assim, os monitoramentos das radiações nucleares e de concentrações tóxicas, no ar e na água, respectivamente, constituem exemplos típicos. Neste caso, requer-se que os instrumentos de medição funcionem sempre dentro das especificações e não apresentem falhas.

Verificação. Na verificação, objetive-se averiguar se um produto atende às especificações estabelecidas. As medições têm a finalidade de averiguar se os valores das grandezas a medir atendem às especificações estabelecidas em regulamentações normativas, ou especificações da qualidade de produtos industrializados. No caso do produto ser um instrumento de medição, os resultados de medição de uma calibração são comparados com as respectivas especificações. Num processo de controle de qualidade de peças, é comum efetuar-se a verificação das dimensões mediante os chamados calibres passa-não-passa. Os instrumentos de verificação devem ser periodicamente examinados quanto aos erros dos valores indicados ou representados. A verificação também pode ser interpretada para áreas do conhecimento como saúde, agricultura e indústrias farmacêuticas.

Controle de processos. Na indústria, normalmente objetiva-se obter informações sobre o estado de um processo. Se as grandezas medidas que o representam variarem além dos limites estabelecidos, os atuadores são acionados para corrigir o processo. Neste caso, o conhecimento das características dinâmicas dos instrumentos de medição é crítico. No caso particular do controle dimensional de peças, as ações corretivas são precedidas da verificação dimensional. Outras áreas onde medições de controle se aplicam são a robótica e a automação industrial.

Considerando a metrologia como uma ciência a estudar, os objetivos são distintos. Os mais divulgados na bibliografia são os seguintes:

  1. Estabelecer as unidades das grandezas a medir.

  2. Realizar fisicamente os padrões primários das unidades.

  3. Reproduzir réplicas dos padrões primários e secundários.

  4. Desenvolver métodos de medição.

  5. Determinar os erros dos métodos de medição.

  6. Pesquisar as causas de erros.

  7. Propor soluções de eliminar ou diminuir os erros.

2.1.3

O objeto da medição e grandezas a medir

Medir o quê? A resposta a esta pergunta é simples: objeto da medição. Este é o alvo da medição. É aquilo que está sob investigação e que se deseja conhecer. Para este intento, escolhem-se atributos que representam as informações, ou seja, as grandezas a medir. Um objeto da medição pode ser um produto, substância, sistema, estado físico, fenômeno ou até um serviço.

As informações obtidas na medição estão presentes no objeto de duas formas: passiva e ativa. A informação passiva está contida no arranjo da matéria como nos seguintes exemplos: resistência elétrica de um resistor, rigidez de uma mola. A informação ativa está presente na forma de um fenômeno energético, como a temperatura de uma substância (energia térmica), a deformação de um corpo elástico (energia mecânica) ou a corrente num circuito elétrico (energia elétrica). A informação ativa é que pode ser observada num sistema de medição. O fluxo de informação ativa, num sistema de medição, é chamado de sinal de medição. Para uma informação passiva ser acessada, deve-se transformá-la em informação ativa. Isso é conseguido com ajuda de alguma fonte de energia. Assim, a medição da resistência elétrica é possível fornecendo energia elétrica ao resistor e a rigidez de mola é determinável com o fornecimento de energia mecânica que a deforma.

Semelhante às informações, pode-se também denominar os objetos de passivos e ativos. Nos objetos passivos, a informação a ser obtida está presente na forma passiva e, consequentemente, requer-se uma fonte de energia para excitar ou ativar a propriedade física relevante. Nos objetos ativos, a informação a ser obtida está presente na forma ativa.

2.1.4

Modelo matemático da grandeza a medir

O entendimento de um objeto da medição, mediante o conhecimento das grandezas escolhidas para medir, deve ser estruturado de algum modo. A estrutura normalmente é referida como modelo. Dentre os tipos de modelo, o mais usado é o matemático. Para fixar idéias, consideram-se os exemplos anteriores de informações passivas. A resistência elétrica R e a constante de mola K podem ser determinadas por

(2.1)

(2.2)

onde V é a tensão (fonte de energia elétrica) aplicada no resistor, I a corrente (sinal de medição no resistor), F a força (fonte de energia mecânica) aplicada à mola, e v o deslocamento da mola (sinal de medição). Essas expressões representam modelos matemáticos. As grandezas V, I, F, v geralmente são medidas para determinar R e K.

Nestes exemplos, observa-se que os modelos matemáticos são expressos por relações entre grandezas constantes. Mas eles também podem ser representados por distribuições de grandezas em função do tempo, do espaço ou tempo e espaço, tanto na forma de equações algébricas quanto diferenciais.

As relações matemáticas, representativas dos modelos, geralmente são caracterizadas por equações com valores desconhecidos de grandezas e de parâmetros. Um modelo matemático é uma aproximação do comportamento do objeto e, por isso, estão previstos erros. Os erros podem ser avaliados e diminuídos. Um dos modos de diminuir erros é a construção de modelos mais exatos. Para uma mesma grandeza a medir, podem ser construídos modelos de diferentes graus de exatidão. A exatidão de um modelo pode melhorar aumentando o número de grandezas influentes, substituindo constantes por grandezas variando com o tempo ou posição, ou substituindo grandezas determinísticas por probabilísticas.

Os procedimentos de medição são elaborados com base em modelos, principalmente os matemáticos.

2.1.5

O processo de medição

O processo de medição pode ser definido como o conjunto de atividades demandadas na obtenção das informações de um objeto da medição. Conforme mencionado anteriormente, aqui é interpretado como tendo essencialmente o mesmo significado de medição. No caso mais simples, o resultado da medição de uma grandeza é expresso por um número e uma unidade de medida. Esse resultado é mostrado num instrumento de medição e pode ser entendido como uma quantidade comparável a uma referência padrão, a unidade de medida da mesma grandeza sob medição. Assim, para desenvolver a comparação quantitativa, os seguintes agentes são requeridos no processo de medição (figura 2.1):

A grandeza a medir (mensurando). Esta representa a informação a ser obtida do objeto da medição e é descrita por um modelo matemático apropriado.

Instrumento de medição. É o dispositivo físico que desempenha a comparação quantitativa.

Padrão. É a realização física da unidade de medida considerada como referência de comparação.

Método de medição. É o modo de efetuar a comparação quantitativa e que depende dos fenômenos físicos envolvidos com o objeto e o instrumento de medição.

Operador. É a pessoa que supervisiona o processo de medição, opera o instrumento e faz as leituras.

Figura 2.1 -

Agentes requeridos no processo de medição.

Para o desenvolvimento satisfatório do processo de medição, elementos de apoio importantes são necessários tais como instalações apropriadas, regulamentações normativas atualizadas, treinamento de operadores e meios de garantir instrumentos de medição confiáveis.

2.1.6

O estudo da metrologia

O estudo da metrologia pode ser encarado sob diferentes abordagens. A mais simples é aquela concernente à ciência da medição e à engenharia dos instrumentos de medição. Estas facilmente são entendidas como o estudo de metrologia e instrumentação. Nesta visão, ainda costuma-se ter dois pontos de vista:

a) Ciência e tecnologia da medição e instrumentação. Neste caso, a medição é entendida como um processo de informação e os instrumentos como máquinas de informação. Assim, lida-se com assuntos tais como modelos matemáticos de sistemas de físicos, conceitos e métodos de processamento de sinais, e projeto de sistemas de medição (sensores e suas interfaces). A tecnologia da medição diz respeito ao modo de efetuar as medições com os meios disponíveis (princípios, materiais, processos de construção, equipamentos, etc).

b) Metrologia propriamente dita. Neste caso, está a metrologia tradicional onde se estudam assuntos tais como unidades de medidas, padrões, erros e incertezas, calibração.

Outra abordagem é aquela que considera a metrologia dividida em quatro partes, a saber:

a) Teoria da metrologia. Estudam-se os conceitos fundamentais da metrologia tradicional, a modelagem dos objetos e dos instrumentos de medição, teorias de execução das medições e teoria dos erros. Aqui pode ser incluída a teoria básica de transformação de um domínio real num domínio abstrato dos resultados de medição, conforme apresentado no capítulo 1.

b) Técnicas de metrologia. Incluem-se os conhecimentos científicos relacionados ao planejamento, organização e execução das medições, bem como avaliação, verificação e interpretação de resultados de medição.

c) Instrumentação. Estuda-se todo o conhecimento de instrumentos de medição (princípios de funcionamento dos elementos constituintes de um instrumento, projeto de instrumentos, processamento de sinais, etc).

d) Metrologia legal. É a parte da metrologia que lida com medições cujos resultados têm implicações legais como, por exemplo, os pré-medidos ou outras medições que afetam a defesa do consumidor.

Existem livros específicos e gerais, onde são abordados assuntos de metrologia, sob os seguintes enfoques:

a) Métodos de medição. São tratados métodos específicos tais como interferometria, holografia, extensometria, fotoelasticidade, método de Moiré.

b) Metrologia de grandezas. A ênfase é nas diferentes grandezas que são medidas em algumas áreas do conhecimento. São estudados os diferentes instrumentos e métodos aplicáveis à medição de grandezas. Na metrologia mecânica, têm-se como exemplos as medições dimensionais, pressão, força, torque, massa e temperatura.

c) Princípios dos instrumentos de medição. São tratados os princípios de funcionamento dos elementos que constituem os instrumentos de medição, principalmente os diferentes tipos de sensores.

Nos itens que seguem deste capítulo, estuda-se a metrologia tradicional.

2.2

ORGANIZAÇÕES METROLÓGICAS

2.2.1

Tipos de organizações

As organizações que lidam com metrologia foram criadas visando a atuação em diferentes áreas, tais como:

  1. Disseminação dos padrões físicos das unidades das grandezas medidas.

  2. Metrologia legal (legislação e regulamentações relacionadas a itens como defesa do consumidor, comércio e negociações comerciais).

  3. Padronização (normas técnicas).

  4. Metrologia científica (pesquisa e desenvolvimento).

  5. Metrologia industrial (qualidade).

  6. Ensino (disseminação dos conhecimentos da metrologia).

Algumas organizações atuam em áreas específicas do conhecimento e em abrangência geográfica internacional, continental, nacional, ou de regiões internacionais ou nacionais. Os exemplos seguintes servem como ilustração.

BIPM (Bureau International des Pois et Mesure). É uma organização internacional criada em 1875 para lidar com a metrologia mundial, principalmente no que concerne à demanda por padrões das unidades de medida e à disseminação e comparação deles com padrões nacionais.

OIML (Organisation Internationale de Métrologie Légale). Esta organização foi criada em 1955 para oferecer uma base comum, em nível internacional, sobre leis e regulamentações, relacionadas à qualidade e credibilidade de medições, nos contratos oficiais, comércio, saúde, segurança e meio ambiente.

ISO (Organização Internacional de Normalização). A ISO (criada em 1947) atua em todos os campos tecnológicos, exceto na tecnologia elétrica, que está sob a tutela da IEC (Comissão Internacional de Eletrotécnica, fundada em 1906). Para a metrologia, são mais difundidas as normas dessas organizações referentes ao Sistema Internacional de Unidades (SI).

IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). É uma associação internacional que lida com as questões científicas e aplicações das ciências químicas, e foi fundada em 1919 por químicos industriais e acadêmicos.

IUPAP (International Union of Pure and Applied Physics). É uma associação internacional que lida com as questões científicas da metrologia e foi criada em 1922 por um grupo de profissionais ligados à física aplicada.

COPANT (Comissão Panamericana de Normalização Técnica). É uma associação não governamental que visa promover o desenvolvimento de normas técnicas, a fim de impulsionar o desenvolvimento comercial, industrial, científico e tecnológico. Criada em 1964.

INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial). É a organização conhecida como responsável pela metrologia oficial brasileira que lida com metrologia científica e industrial, metrologia legal, avaliação de conformidade e acreditação (reconhecimento da competência técnica de organismos brasileiros que prestam serviços metrológicos específicos).

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