apostila metrologia ufsc v1

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  • LAB

    METRO

    UFSCFLORIANPOLIS

    METROLOGIAParte I - 2004

    Prof. Armando Albertazzi Gonalves Jr.

    Laboratrio de Metrologia e Automatizao Departamento de Engenharia Mecnica Universidade Federal de Santa Catarina

  • CAPTULO 1

    CONSIDERAES INICIAIS A medio uma operao antiqssima e de fundamental importncia para diversas atividades do ser humano. Na comunicao, por exemplo, toda vez que se quantifica um elemento, se est medindo, isto , comparando este elemento com uma quantidade de referncia conhecida pelo transmissor e receptor da comunicao. O comrcio outra atividade onde a medio fundamental: para que transaes comerciais possam ser efetuadas, necessrio descrever as quantidades envolvidas em termos de uma base comum, isto , de uma unidade de medio. Com a evoluo da manufatura, esta necessidade se intensificou: preciso descrever o bem fabricado em termos de elementos que o quantifiquem, isto , nmero de um calado, tamanho de uma pea, quantidade contida em uma embalagem, so apenas exemplos. A intercambialidade desejada entre peas e elementos de uma mquina s possvel atravs da expresso das propriedades geomtricas e mecnicas destes elementos atravs de operaes de medio. Medir uma forma de descrever o mundo. As grandes descobertas cientficas, as grandes teorias clssicas foram, e ainda so, formuladas a partir de observaes experimentais. Uma boa teoria aquela que se verifica na prtica. A descrio das quantidades envolvidas em cada fenmeno se d atravs da medio. A medio continua presente no desenvolvimento tecnolgico. atravs da medio do desempenho de um sistema que se avalia e realimenta o seu aperfeioamento. A qualidade, a segurana, o controle de um elemento ou processo sempre assegurada atravs de uma operao de medio. H quem afirme que "medir fcil". Afirma-se aqui que "cometer erros de medio ainda mais fcil". De fato, existe uma quantidade elevada de fatores que podem gerar estes erros, conhece-los e control-los nem sempre uma tarefa fcil. Como o valor a medir sempre desconhecido, no existe uma forma mgica de checar e afirmar que o nmero obtido de um sistema de medio representa a grandeza sob medio (mensurando). Porm, existem alguns procedimentos com os quais pode-se caracterizar e delimitar o quanto os erros podem afetar os resultados. Neste texto, so abordadas diversas tcnicas e procedimentos que permitem a convivncia pacfica com o erro de medio.

    1.1 Medir Versus Colecionar Nmeros atravs de um sistema de medio (SM) que a operao medir efetuada: o valor momentneo do mensurando descrito em termos de uma comparao com a unidade padro referenciada pelo SM. O resultado da aplicao deste SM ao mensurando um nmero acompanhado de uma unidade de Indicao. Para o leigo, por mera ignorncia ou ingenuidade, o trabalho de medio est encerrado quando se obtm este nmero. Na verdade, esta operao uma parte do processo de medio. uma tarefa relativamente simples a aplicao deste SM por vrias vezes e a obteno de infindveis colees de nmeros. Porm, a obteno de informaes confiveis a partir destes nmeros,

  • exige conhecimentos aprofundados sobre o SM e o processo de medio empregado. Sabe-se que no existe um SM perfeito: alm de limitaes construtivas internas, o SM comumente afetado por efeitos diversos relacionados com o meio ambiente, com a forma e a tcnica de aplicao deste SM, pelas influncias da prpria grandeza, dentre outros. necessrio considerar todos estes efeitos e exprimir um resultado confivel, respeitando a limitao deste SM. O resultado de uma medio sria deve exprimir o grau de confiana a que depositado pelo experimentador. Como impossvel obter uma Indicao exata, o erro provvel envolvido deve sempre ser informado atravs de um parmetro denominado incerteza. Existem diversos procedimentos e tcnicas com as quais possvel determinar o nvel de confiana de um resultado. Porm, bom senso e ceticismo so caractersticas adicionais indispensveis a quem se dispe a medir. A regra "duvidar sempre, at que se prove o contrrio". A qualidade de uma medio se avalia pelo nvel dos erros envolvidos. Porm, nem sempre deve-se buscar o "melhor" resultado, com mnimos erros. Depende da finalidade qual se destinam estes resultados. Aceitam-se erros de 20 g em uma balana de uso culinrio, porm estes erros no podem ser aceitos caso deseje-se medir a massa de pepitas de ouro. Medir com mnimos erros custa caro. medida que se desejam erros cada vez menores, os custos se elevam exponencialmente. A seleo do SM a empregar , portanto, uma ao de elevada importncia que deve equilibrar as necessidades tcnicas com os custos envolvidos.

    1.2 Erro de Medio Existe ! Uma medio perfeita, isto , sem erros, s pode existir se um SM (sistema de medio) perfeito existir e a grandeza sob medio (denominada mensurando) tiver um valor nico, perfeitamente definido e estvel. Apenas neste caso ideal o resultado de uma medio (RM) pode ser expresso por um nmero e uma unidade de medio apenas. Sabe-se que no existem SM perfeitos. Aspectos tecnolgicos foram que qualquer SM construdo resulte imperfeito: suas dimenses, forma geomtrica, material, propriedades eltricas, pticas, pneumticas, etc, no correspondem exatamente ideal. As leis e princpios fsicos que regem o funcionamento de alguns SM nem sempre so perfeitamente lineares como uma anlise simplista poderia supor. A existncia de desgaste e deteriorao de partes agravam ainda mais esta condio. Nestes casos, o SM gera erros de medio. Perturbaes externas, como, por exemplo, as condies ambientais, podem provocar erros, alterando diretamente o SM ou agindo sobre o mensurando, fazendo com que o comportamento do SM se afaste ainda mais do ideal. Variaes de temperatura provocam dilataes nas escalas de um SM de comprimento, variaes nas propriedades de componentes e circuitos eltricos, que alteram o valor indicado por um SM. Vibraes ambientais, a existncia de campos eletromagnticos, umidade do ar excessiva, diferentes presses atmosfricas podem, em maior ou menor grau, afetar o SM, introduzindo erros nas indicaes deste. O operador e a tcnica de operao empregada podem tambm afetar a medio. O uso de fora de medio irregular ou excessiva, vcios de m utilizao ou SM inadequados, podem levar a erros imprevisveis. A forma, tamanho ou faixa de medio do SM pode no ser a mais indicada para aquela aplicao. Em parte dos casos, o mensurando no possui valor nico ou estvel. Apenas um cilindro ideal apresenta um valor nico para o seu dimetro. No se consegue fabricar um cilindro real com a forma geomtrica matematicamente perfeita. Caractersticas da mquina operatriz empregada, dos esforos de corte, do material ou ferramenta empregada afastam a forma geomtrica obtida da ideal. Mesmo que disponha de um SM perfeito, verifica-se que diferentes medies do dimetro

  • em diferentes ngulos de uma mesma seco transversal ou ao longo de diferentes sees ao longo do eixo do cilindro levam a diferentes nmeros. Estas variaes so de interesse quando se deseja caracterizar as propriedades do cilindro e devem ser informadas no resultado da medio. A temperatura de uma sala outro exemplo de um mensurando instvel: varia ao longo do tempo e com a posio onde medida. A massa de uma pea metlica um exemplo de um mensurando estvel, se forem desprezados aspectos relativsticos. Na prtica estes diferentes elementos que afetam a resposta de um SM aparecem superpostos. Ao se utilizar de um sistema de medio para determinar o resultado de uma medio necessrio conhecer e considerar a faixa provvel dentro da qual se situam estes efeitos indesejveis - sua incerteza - bem como levar em conta as variaes do prprio mensurando. Portanto, o resultado de uma medio no deve ser composto de apenas um nmero 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.

    1.3 Terminologia Para que se possa expor de forma clara e eficiente os conceitos da metrologia, atravs do qual so determinados e tratados os erros de medio, preciso empregar a terminologia tcnica apropriada. A terminologia adotada neste texto est baseada na Portaria 029 de 10 de maro de 1995 do INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia, Normalizao e Qualidade Industrial, que estabelece o Vocabulrio de Termos Fundamentais e Gerais em Metrologia. Este documento baseado no vocabulrio internacional de metrologia elaborado por diversas entidades internacionais tais como BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC e IUPAP.

  • Captulo 2

    MEDIR

    2.1 Por que Medir ?

    Do ponto de vista tcnico, a medio empregada para monitorar, controlar ou investigar um processo ou fenmeno fsico.

    Nas aplicaes que envolvem monitorao, os SM (Sistemas de Medio) apenas indicam para o usurio o valor momentneo ou acumulado do mensurando (ME). Barmetros, termmetros e higrmetros, quando usados para observar aspectos climticos so exemplos clssicos de aplicaes que envolvem monitorao. Medidores do consumo de energia eltrica ou volume dgua so outros exemplos. Nenhuma ao ou deciso tomada em relao ao processo.

    Qualquer sistema de controle envolve um SM como elemento sensor, compondo um sistema capaz de manter uma grandeza ou processo dentro de certos limites. O valor da grandeza a controlar medido e comparado com o valor de referncia estabelecido e uma ao tomada pelo controlador visando aproximar a grandeza sob controle deste valor de referncia. So inmeros os exemplos destes sistemas. O sistema de controle da temperatura no interior de um refrigerador um exemplo: um sensor mede a temperatura no interior do refrigerador e a compara com o valor de referncia pr-estabelecido. Se a temperatura estiver acima do valor mximo aceitvel, o compressor ativado at que a temperatura atinja um patamar mnimo, quando desligado. O isolamento trmico da geladeira mantm a temperatura baixa por um certo tempo, e o compressor