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CÁLCULO DE INCERTEZA DE MEDIÇÕES Introdução Em geral, o resultado de uma medição de uma grandeza física é apenas uma estimativa - ou uma aproximação - do valor verdadeiro do mensurando. Como conseqüência desse fato, o resultado da medição somente é completo quando acompanhado do valor declarado da incerteza. A incerteza do resultado de uma medição é composta por diversos componentes que devem ser agrupados em duas categorias, de acordo com o método utilizado para estimar seu valor numérico: Tipo-A - os que foram determinados utilizando-se a análise estatística em uma série de observações. Tipo-B - os que foram determinados por quaisquer outros meios. Avaliação da Incerteza Padrão Tipo-A A avaliação da incerteza padrão tipo A deve ser baseada em métodos estatísticos válidos para tratamento de dados. Por exemplo: · Cálculo do desvio-padrão da média de uma série de observações independentes; · Utilização do método dos mínimos quadrados para ajustar uma curva aos dados a fim de estimar parâmetros da curva e seus desvios-padrão; · Identificar e quantificar efeitos randômicos em certos tipos de medições, quando efetuando análise de variância. Avaliação da Incerteza Padrão Tipo-B A avaliação da incerteza padrão tipo B é efetuada por outros meios que não a análise estatística de uma série de observações. É usualmente baseada em julgamentos científicos utilizando todas as informações disponíveis, que podem ser obtidas a partir de: · Dados de medições anteriores · Experiência ou conhecimento geral do comportamento dos instrumentos · Especificações do fabricante · Dados provenientes de calibrações e de outros certificados · Incertezas atribuídas a dados de referência provenientes de manuais ou publicações · O equipamento que está sendo calibrado ou medido, por exemplo sua resolução e qualquer instabilidade durante a Calibração · Procedimentos operacionais · Os efeitos das condições ambientais nas informações citadas acima Determinação da Incerteza de Medição De acordo com o GUM (Guia para Determinação da Incerteza em Medição) o cálculo da incerteza em uma medição deve ser realizado empregando-se o seguinte procedimento: a) Se possível, determine a relação matemática entre (o valor estimado das) grandezas de entrada e (o valor estimado da) grandeza de saída. )x,......,xx(fy n, 21= b) Identifique todas as correções que devem ser aplicadas aos resultados de medição de uma grandeza (mensurando) para as correções das medições. Incluído entre as grandezas de entrada xi estão além das correções (ou fatores de correções), fatores que possibilitam que sejam considerados outras fontes de variabilidade tais como diferentes observadores, instrumentos, amostras, laboratórios e tempos em que as observações são feitas (p.ex. dias diferentes). Assim, a função (f) da equação acima não deve expressar uma simples lei física, mas o processo de medição e, em particular, ela deve contemplar todos fatores que contribuem de forma significativa para a incerteza do resultado da medição. c) Liste os componentes sistemáticos de incerteza associados a erros sistemáticos corrigidos ou não, tratados como incertezas. d) Procure por trabalhos experimentais ou teóricos prévios, para tomar como base na definição das incertezas e probabilidades de distribuição das incertezas de componentes sistemáticas. e) Determine o valor da incerteza-padrão para cada componente obtida da avaliação do tipo-B, conforme estabelecido abaixo: Para distribuição retangular 3 i i a )x(u = Para distribuição normal ( ) k expandida incerteza xu i = Ou refira-se a outras referências caso as distribuições de probabilidade assumidas forem diferentes. (Ex: triangular). f) Utilize conhecimentos prévios ou faça medições e cálculos para determinar se pode ocorrer uma componente de incerteza devido a um efeito aleatório que seja significativa comparada com as componentes devido a efeitos sistemáticos. g) Se uma incerteza de componente aleatória é significantiva, faça medições repetidas para obter a média da equação: å = = n k kx n x 1 1 h) Calcule o desvio-padrão da média [ )x(s ]: ( ) ( ) ( ) Þ- - = å = 1 1 2 N xx xs N k i ( ) ( ) N xs xs k = Ou refira-se a medições de repetitividades prévias para uma boa estimativa de (xk), baseado em um grande número de leituras. i) Mesmo quando a incerteza de componente aleatória não for significativa, procure verificar a indicação do instrumento pelo menos uma vez para minimizar erros de anotação do operador. j) Calcule a incerteza padrão para as avaliações Tipo A acima tomando como base a seguinte equação: ( ) ( )xsxiu = k) Calcule a Incerteza Padrão Combinada para as grandezas de entrada não- correlatas, utilizando a equação abaixo, no caso de se utilizar valores absolutos. åå == º= N i ii N i ic )y(u)x(uc)y(u 1 2 1 22 Onde ii xfc ¶¶= ou um coeficiente conhecido l) Sendo constatada a existência de correlação entre grandezas, deve ser utilizada a seguinte expressão: ( )å åå - = +== ¶ ¶ ¶ ¶ +÷ ø ö ç è æ ¶ ¶ = 1 1 1 2 1 2 2 N i N ij ji ji i N i i c x,xu x f x f )x(u x f )y(u Possíveis Fontes de Incerteza em Calibrações de Instrumentos Elétricos · Certificado de calibração do instrumento. · Estabilidade do instrumento. · Condições ambientais. · Efeitos elétricos operacionais (potência dissipada, distorção harmônica, níveis de tensão aplicados diferentes quando da calibração da referência, aquecimento, variações da rede de alimentação). · Interpolação dos dados de Calibração. · Resolução do instrumento. · Configuração (lay-out) dos equipamentos (fugas para terra, loops de terra, fuga de campos eletromagnéticos). · Força termo-eletromotriz. · Impedância de cargas e cabos. Exemplos de Cálculo de Incertezas Exemplo-1 Determinação da altura de uma pessoa com uma fita métrica. Foram levantados os seguintes dados: Comprimento total da fita= 2.0000 m Valor indicado (altura do indivíduo)= 1.6735 m Resolução da fita métrica (Dr)= 0.5 mm Classe de exatidão da fita-métrica (Dls) = ±0.5 mm Equação que descreve o processo de medição (modelo matemático): rlll ssx D+D+= Cálculos para determinação da incerteza: ( ) ( ) 1r l ,1 l l ,1 l l x s x s x = D¶ ¶ = D¶ ¶ = ¶ ¶ 0u1 = mm 144.03 2 5.0 uu )r(2 =÷ ø ö ç è æ== - incerteza padrão devido à resolução finita da escala ( ) mm 289.03 2 5.05.0 )ls(uu3 =÷ ø ö ç è æ --=D= - incerteza padrão devido às imperfeições na comparação uc – incerteza combinada mm 323.0289.0144.00uuuu 2223 2 2 2 1 =++=++= incerteza expandida Þ U=k*uc=2*0.323=0.65 mm = 0,00065 m » 0,0007m (Nota: fator de segurança=2 Þ nível de confiança de 95,4%) Resposta: A altura da pessoa é (1,6735 ± 0,0007)m ou 1,6735 m ± 0,4% Exemplo-2: Medição de uma grandeza elétrica utilizando um instrumento (elétrico). Análise teórica Modelo gráfico: Y- mensurando (grandeza de saída) X - grandeza de entrada T - fator de transmissão (cabos) altera a grandeza de entrada. Y = X / T Valor indicado no instrumento Xi, dXi –resolução do instrumento de medição . K - fator de escala (do instrumento) Relação entre a grandeza de entrada X e a indicação do medidor: Xi+dXi=K*X Modelo matemático de avaliação:KT XXi Y i * d+ = Valor estimado do mensurando kt xx y ii * d = + Resultado da medição kt x y i * = Cálculo da incerteza (combinada) Þ÷ ø ö ç è æ ¶ ¶ +÷ ø ö ç è æ ¶ ¶ +÷ ø ö ç è æ ¶ ¶ =÷ ø ö ç è æ ¶ ¶ = å = 2 2 xi 2 2 k 2 2 t N 1i 2 i )y(c xi y u k y u t y u x y ciu ú û ù ê ë é ++*= d 2 i 2 x 2 2 k 2 2 t2 )y( x u k u t u yu i Para t@1 e k@1 [ ] 2222 ixkt)y(c uuuxu d++*= Fonte de tensão Cabos Y X Xi Considere um caso prático de uma medição realizada com um voltímetro digital de 3½ digitos. Os dados obtidos foram: Faixa de medição = 200mV Faixa (indicação) = 0,1…199,9 mV Valor Indicado (Vx) = 90,6 mV Resolução (dVx) = 0,1 mV Fator de escala (k) = 1±0,005 Conecções (t) = 1±0,00001 Resolução (baseada na desenvolvimento teórico acima): Cálculo das Incertezas-padrão: Devido à Resolução (duVx) = ( ) 3 210, = 0,029 mV Devido ao fator de escala (uk) = 0,002 9 Devido às conecções(ut) = 0,000 005 8 Então, a incerteza combinada será determinada a partir de: ( ) 26,0029,00000058,00029,06,90u 2222c @++= Incerteza expandida mV ,,kukuU )V(c x 5202602 @*=== A tensão medida é, portanto: mV ),,(V x 50690 ±= ou %,mV ,Vx 60690 ±= Tendo em vista as dificuldades para fazer o cálculo da incerteza através do procedimento padrão, é comum utilizar-se de uma planilha, como nos exemplos abaixo. 1Exemplo 3: Medida de Década Resistiva Cálculo de Incerteza, para um dial, efetuando medida direta, com um Voltímetro marca VOLTA. A) Avaliação de Incerteza tipo A. A1) Repetitividade das Leituras. Aplicar os conceitos dos documentos acima. Considerando as leituras : dial de 10 ohms/passo, no ponto de leitura de 10 ohms. 10,0057 ohms 10,0059 ohms 10,0055 ohms Resulta : Xm= 10,0057 ohms s = 2*10 -4 ohm B) Avaliação de Incerteza tipo B. B.1) Incerteza da Calibração do Voltímetro VOLTA. Conforme dados do último Certificado de calibração tem-se: U = 5,3 ppm, para um fator de abrangência K=2. à resulta: (10,0057 x 0,0000053) = 5,3E-5 ohm B.2) Resolução do Voltímetro VOLTA Neste caso a leitura foi efetuada com resolução de 1E-4 ohm B.3) Incerteza da Classe de Exatidão do Voltímetro. Pelo manual do fabricante a incerteza declarada é de ± 16 ppm da leitura ± 1 ppm da escala Temos: (10,0057 x 0,000016 + 0,000001 x 140) = 3E-4 ohm Planilha para cálculo para Incerteza Tipo de Incerteza Fonte de Incerteza Valor Xi Tipo de Distribuição Div. ci nefi ui(x) u 2i(x) u4i(x) ohm. ohm. ohm2 ohm4 A Repetitividade Leituras 2,0E-4 Normal Ö3 1 2 1,15E-4 1,32E-8 1,74E-16 B Inc. Cal. VOLTA 5,3E-5 Normal 2,0 1 µ 2,65E-5 7,02E-10 49,32E-20 B Resol. VOLTA 1,0E-4 Ret. Ö12 1 µ 2,89E-5 8,35E-10 69,72E-20 B Classe do VOLTA 3,0E-4 Ret. Ö3 1 µ 1,73E-4 2,99E-8 8,94E-16 uc(g) Incerteza Combinada 2,11E-4 U Incerteza Expandida 4,43E-4 neff ----> no. de graus de liberdade Efetivo. Empregando-se a fórmula de Welch-Satterwaite Þ= ¥ + ¥ + ¥ + = n =n - - ---- å 2 741 022 94872693249 2 741 122 16 15 16202016 4 4 4 x ),( ),( ),(),(),(),( ),( )x(u )y(u i i c eff 2,23eff =n Pela tabela de Student, para um grau de confiança de aproximadamente 95% e um grau efetivo de liberdade 23 tem-se : 1 Exemplo retirado de documento Roteiro para “Cálculo de Incertezas” elaborado por Luís Henrique do Laboratório de Medição das Centrais Elétricas de Furnas. Fator de abrangência k = 2,1 A incerteza expandida U é dada por : U = uc(y) x k , ou seja 2,11-4 x 2,1 = 4,43-4 ohm. A incerteza é baseada na incerteza padrão multiplicada por um fator de abrangência k = 2,1 para um nível de confiança de aproximadamente 95%. Assim, o resultado completo da medição é: ( )W±= 00040005710 ,,x 2Exemplo 4: Medida de Energia A) Avaliação da Incerteza tipo A Repetitividade das Leituras Efetuar 3 leituras e aplicar os conceitos do(s) documento(s) acima. Considerando as leituras ( Joule ) : 11999,98 12000,04 12000,05 Temos: Xi = 12.000,02 s-1 = 3,79E-02 B) Avaliação da Incerteza do tipo B Incerteza da Classe de Exatidão do Padrão 7200 Pelo manual do fabricante temos : ± 0,008% da leitura + 2 Dig. > 12.000,00x0,00008+2 = 0,96J Incerteza da Calibração do 7200 Conforme dados do último Certificado Temos: U = ± 0,01%, para um fator de abrangência K=2. > 12.000,00 x 0,0001 = 1,2J Resolução do Padrão 7200 – Escala 120V / 1A Pelo Manual do Fabricante > 0,01J Resolução do Medidor sob Teste – Escala 120V / 1A Pelo Manual do Fabricante > 0,01J Padrão de Energia mod. 7200, Guidline. 60 Hz a) Avaliação da incerteza tipo A > R LEIT.Ref = Repetitividade das Leituras (n ) = 3 > R LEIT.Test = Repetitividade das Leituras (n ) = 3 b) Avaliação da incerteza tipo B > I CEP = Incerteza da Classe de Exatidão do Padrão 7200 0,98 Joules > I CPR = Incerteza da Calibração do Padrão 7200 1,20 Joules > R Ref = Resolução do Padrão 7200 0,01 Joules > R Ref = Resolução do Instrumento sob Teste 0,01 Joules Condição : 120V/1A 1 é FP = 1 Leituras Energia Lida ( J ) Energia Padrão ( J ) 2 Exemplo retirado de documento Roteiro para “Cálculo de Incertezas” elaborado por Luís Henrique do Laboratório de Medição das Centrais Elétricas de Furnas. 1 2 3 12000,00 12000,00 12000,00 11999,98 12000,04 12000,05 MÉDIA = DESVIO PADRÃO = 12000,00 12000,02 3,79E-02 Tipo Simbologia Xi Dist. Div. Ci Vefic. Ui(x) Ui2(x) Ui4(x)/Vefic. ( J ) ( J ) ( J ) ( J ) Tipo A RLEIT. 3,79E-02 Normal Ö3 1 2 2,19E-02 4,78E-04 2,28E-07 Tipo A RLEIT. 0,00E+00 Normal Ö3 1 2 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 Tipo B ICEP 9,8E-01 Ret. Ö3 1 ì 5,66E-01 3,20E-01 1,02E-01 Tipo B ICPR 1,20E+00 Normal 2 1 ì 6,00E-01 3,60E-01 1,30E-01 Tipo B IREL. PAD 1,00E-02 Ret. Ö12 1 ì 2,89E-03 8,33E-06 6,94E-11 Tipo B IREL. TEST 1,00E-02 Ret. Ö12 1 ì 2,89E-03 8,33E-06 6,94E-11 Leitura 12000,023 Joules. Uc(x) = 8,25E-01 U% = ± 0,014 1,65+00 V EFF = 1000 K = 2,00 U = +/- 1,6 J A incerteza é baseada na incerteza padronizada combinada multiplicada por um fator de abrangência k = 2, com um nível de confiança de aproximadamente 95%. 3Exemplo 8: Medida de Potência AC Conforme esquema de ligação abaixo: P1 P2 C1 C2 O cálculo de incerteza foi baseado nos seguintes documentos: - Guia para a expressão da Incerteza de Medição. (Edição revisada em Agosto de 1998, editada pelo INMETRO). - NIST – Technical Note 1297 – 1994 Edition – Guideline for Evaluating and Expression the uncertainty of NIST Measurement results. - Expressão da Incerteza de Medição na Calibração – EA-4/02. - Expressão da Incerteza de Medição na Calibração – EA-4/02-S1. Neste exemplo de cálculo de incerteza está faltando a componente de Calibração da referência (no caso zero), até que o medidor padrão seja rastreado (calibrado em Potência). Exemplo de cálculo de Incerteza, para a escala de 120 V/1A, efetuando medida direta, utilizando como referência o SC60 , MultímetroDigital 34401A HP e Resistor padrão de 1 kW? Método Direto - Fontes de Incertezas: Avaliação de Incerteza tipo A. Repetitividade das Leituras. Considerando 3 leituras obtidas com o Multímetro 34401A na faixa de 120 V e 1 A Leituras:1,20004V, 1,20004 V, 1,20005 V Temos : X = 1,20004 V s-1 = 5,77E-6 V B) Avaliação de Incerteza tipo B. B.1) Incerteza da Calibração do SC60 (Bobina de 1 A e 120 V) Saída analógica sem calibração em potência = 0 B.2) Exatidão do SC60 : ± 0,04 da leitura + 0,005 % do fundo de escala O valor de k para o exemplo considerado é de 100000. B.3) Incerteza da Calibração do Multímetro Digital 34401A HP 3 Exemplo retirado de documento Roteiro para “Cálculo de Incertezas” elaborado por Luís Henrique do Laboratório de Medição das Centrais Elétricas de Furnas. Analogic Out 0 0 I MEDIDOR DE POTÊNCIA PADRÃO V I FONTE DE POTENCIA AC V 0 0 MULTÍMETRO DIGITAL Conforme dados do último Certificado temos: U = 13 ppm, para um fator de abrangência K=2. Temos: (1,20004x 0,000013) = 0,0000156 V B.4) Exatidão do Multimetro digital 34401A HP para 1,2 V na escala de 10 V Conforme manual do fabricante temos: 0,0035 % da leitura + 0,0005 % da escala = 0,000092 V B.5) Resolução do Multímetro Digital 34401A HP 1E-5 V para escala de 10 Vcc B.6) Incerteza da Calibração do Resistor de 1 kW Conforme último certificado temos: 0,00031 %, para um fator de abrangência k=2 B.7) Estabilidade do Resistor de 1 kW Feita a projeção linear das 4 últimas calibrações: 0,000017W B.8) Variação da temperatura da sala: ± 1 grau (Retangular) Equação do Mensurando: W = V L x K /RS Rs = R25(1 + aDt + bDt 2) W = V L x K / [R25(1 + aDt + bDt2)] V L = Valor lido no Multímetro 34401A R s = Valor padrão do Resistor K = Multiplicador calculado dividindo a potência aplicada 120 W nas bobinas(120 V e 1A ) pela saida analógica 1,2 mA. K = 100000 W/A ¶W / ¶VL = ci = K/ R25(1 + aDt + bDt2) ¶W / ¶Rs = ci = -V L x K/ [R25(1 + aDt + bDt 2)]2 ¶W / ¶K = ci = V L/ R25(1 + aDt + bDt2) ¶W / ¶Dt = ci = -VL x K ( a + 2bDt)/ R25[(1 + aDt + bDt 2)]2 S2 (W) = (¶W / ¶VL)2 * S2VL + (¶W / ¶Rs)2 * S2Rs + (¶W / ¶k)2 * S2k + (¶W / ¶ Dt)2 * S2DT Onde: S2 ( Rs ) = Calibração do resistor Estabilidade do Resistor (reclassificação) S2 ( v ) = Calibração do Multímetro digital 34401A Exatidão do Multímetro digital 34401A Resolução do Multímetro 34401 A S2 ( k ) = Calibração do SC60 Exatitão do SC60 (K) S2 ( Dt ) = Variação da temperatura da sala Montando a tabela das incertezas: Simb. Tipo Incert. Fonte de Incerteza Valor (xi) Distrib. Div Ci2 nefi Ui2(xi) Ui4(xi)/ nefi Cal(Rs) Tipo B Calibração do Resistor 3,1x10-3 W Normal 2 1,44x10-2 W2/W2 ¥ 3,46x10-8 W2 0 Estab(Rs) Tipo B Estabilidade Resistor 1,7x10-5 W Retang. Ö3 1,44x10-2 W2/W2 ¥ 1,38x10-12 W2 0 Cal(VL) Tipo B Calibração do 34401A 1,56x10-5 V Normal 2 9999,94 W2/V2 ¥ 6,08 x 10-7 W 0 exat(VL) Tipo B Classe do 34401A 9,2x10-5 V Retang. Ö3 9999,94 W2/V2 ¥ 2,82 x 10-5 W2 0 Res(VL) Tipo B Resolução 34401A 1x10-5 V Retang. Ö12 9999,94 W2/V2 ¥ 8,33 x10-8 W2 0 Rep. Tipo B Repetitivida de das leituras 5,77x10-6 V Retang. Ö3 9999,94 W2/V2 2 1,11x10-7W2 6,16x10-15 W4 Cal(k) Tipo B Calibração do SC60 0 Normal 2 1,44x10-6 A2 ¥ 0 0 exat(k) Tipo B Classe do SC60 45 W/A Retang. Ö3 1,44x10 -6 A2 ¥ 9,72x10-4 W2 0 Dt Tipo B Temp. Ambiente 1 Retang. Ö3 3,74x10-7 W2/S2 ¥ 1,25x10-7 W2 0 uc Incerteza Comb. Normal 0,032 W U Incerteza Expand. Normal (k=2) 0,064 W Cálculo do grau efetivo de liberdade: veff = ¥ - + ¥ - + ¥ - + ¥ - + ¥ - + ¥ - + ¥ - + - = 146,174,9159,6108137,3249,1152,1 2 1423,1 032,0 )( 4 4 4 EEEEEEEE vefi xu u i c veff = 1,7x108 Pela tabela de Student, para um grau de confiança de aproximadamente 95% e um grau efetivo de liberdade de 1,7x108 temos: Fator de abrangência k = 2 A incerteza expandida U é dada por: U = uc(y) x k U = 0,032x 2 U = ± 0,064 W
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