Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
244 CAPÍTULO 9 - INCERTEZA DE MEDIÇÃO 9.1 Introdução A definição de incerteza abaixo foi retirada da portaria do “INMETRO nº. 29 de 10 de março de 1995” do vocabulário de metrologia. “Incerteza é o parâmetro associado ao resultado de uma medição, que caracteriza a dispersão dos valores que podem ser fundamentalmente atribuídos a um mensurando”. Ainda segundo o ISO GUM (1997): 1. A incerteza pode ser, por exemplo, um desvio padrão (ou múltiplo dele), ou a metade de um intervalo correspondente a um nível de confiança estabelecido. 2. A incerteza de medição compreende em geral a muitos componentes. Alguns podem ser estimados com base na distribuição estatística dos resultados de medições e podem ser caracterizados por desvios padrão experimentais. 3. Entende-se que o resultado da medição é a melhor estimativa do valor do mensurando, e que todos os componentes da incerteza incluindo aqueles resultantes dos efeitos sistemáticos, como os componentes associados correções de padrões de referência, contribuem para a dispersão. Esta definição foi extraída do “Guia para a Expressão de Incerteza de Medição”, no qual sua fundamentação é detalhada (ver particular, 2.2.3). Não existe resultado de medição consistente que não possua incerteza, para um resultado ser consistente ele deve ser feito com um equipamento calibrado e o resultado deve vir contemplado com o valor de incerteza. Quando não houver nenhuma referência ao valor da incerteza, deve-se considerar a resolução do equipamento utilizado para expressar tal dúvida no resultado. A Fig. 9.1 mostra diferentes resoluções para uma escala, logo se não houver uma incerteza declarada, a resolução das escalas é assumida como incerteza na expressão do resultado. Incerteza de medição 245 Figura 9.1: Diferentes resoluções para uma escala. O resultado de uma medição junto com sua incerteza e dada pela Eq. 9.1. ITdIdRm )( (9.1) Onde, Rm é o resultado de medição, Id é a indicação, Td é a tendência e I é a incerteza que também pode aparecer como U (uncertainty). 9.2 Fontes de incerteza A incerteza presente em um resultado de medição possui outros componentes, existem aquelas fontes oriundas do próprio sistema medição (incerteza Tipo A), e aquelas herdadas de outras fontes como: variação da temperatura, umidade, incerteza herdada de padrões, etc. (incerteza Tipo B). Todas as variáveis que podem influenciar um resultado de medição, ou calibração são chamadas de “grandezas de influencias”. 9.2.1 Incerteza do Tipo A Este tipo de incerteza é originado pelo próprio sistema de medição e é dada pela variação dos valores de uma mesma medição que é replicada n vezes. Esta avaliação é feita através de processo estatístico, onde, o desvio padrão das Incerteza de medição 246 amostras é dividido pela raiz quadrada das n medições efetuadas. Esta relação é dada pela Eq. 9.2. n S n n xx U n i i a 1 1 2 (9.2) Onde, Ua é a incerteza Tipo A, S é o desvio padrão amostral e n é a raiz quadrada das n medições. Para que o valor de S(x) seja confiável é necessário que seja realizado um número suficientemente grande de medições, geralmente n ≥ 10. Utilizando o valor médio de várias indicações, obtido a partir da média de um conjunto de "n" indicações de x, o desvio padrão experimental da média de x é estimado pela Eq. 9.3. n xSxS (9.3) A incerteza padrão associada à variável mensurada é representada por U(x), e é o próprio desvio padrão das medições efetuadas e é dado pela Eq. 9.4. xSxU (9.4) Onde, xS é o desvio padrão médio das medições da variável em observação. O número de graus de liberdade envolvido V na determinação de U(x) é o número de medições independentes efetuadas menos uma, e é dada pela Eq. 9.5. 1 n (9.5) A incerteza Tipo A engloba todos os desvios inerentes ao processo de medir e comparar um determinado valor Incerteza de medição 247 9.2.2 Incerteza do Tipo B Na determinação das incertezas Tipo B usa-se procedimentos não estatísticos. Estas estimativas dependem da experiência prática do experimentalista e podem ser tão confiáveis quanto às avaliações do Tipo A. As estimativas podem ser baseadas em avaliações anteriores, onde levantamentos fornecem dados quantitativos confiáveis sobre a influência da fonte de erro considerada. Elas podem ser: Certificados de calibração; Registros históricos das características metrológicas do SM; Dados de medições anteriores; Especificação do fabricante. Tudo que pode influenciar de maneira externa uma medição ou calibração é uma fonte de incerteza do Tipo B. 9.3 Cálculo de incerteza Ao se conhecer todas as fontes ou componentes de incerteza de um sistema de medição é necessário combiná-las para assim expressar um valor único que englobe dentro de uma probabilidade estatística o resultado que possa descrever “o quanto” aquele resultado não é exato. As etapas envolvidas para se expressar um resultado de incerteza estão à combinação das grandezas de influencia (incerteza combinada) e a expansão do resultado (incerteza expandida). 9.3.1 Incerteza combinada (Uc) A incerteza combinada (Uc) engloba todas as grandezas envolvidas dentro de uma confiabilidade de 68,27% (±σ). A incerteza combinada é a média geométrica de Incerteza de medição 248 todas as fontes de incerteza, ou seja, é a raiz quadrada da soma quadrática de todas as fontes de incerteza. Todas as incertezas Tipo A e B são combinadas de acordo com a Eq. 9.6. 2222 ... 21 nbbbaC UUUUU (9.6) Onde, Uc é a incerteza combinada, Ua é a incerteza do Tipo A avaliada estatisticamente e nb U são as incertezas do Tipo B. Deve-se observar que a incerteza herdada é um valor declarado em um certificado já expandido. Para saber qual seu valor antes da expansão, deve-se dividir o valor declarado no certificado do equipamento ou padrão pelo fator k declarado (normalmente é um valor próximo de 2). Durante os procedimentos de aferição/calibração, corre-se o risco de expandir o mesmo valor de incerteza duas vezes, caso na se observe essa possibilidade. 9.3.2 Incerteza expandida A incerteza expandida é o resultado final da expressão do resultado de incerteza, por este procedimento são consideradas todas as grandezas de influência sobre o resultado. A janela de probabilidade onde a incerteza no resultado pode se situar é variável, e depende do fator k empregado. Este fator k é um valor determinado a partir da distribuição t de Student com graus efetivos de liberdade (n -1), para um nível p de confiança. 9.3.3 Determinação do fator k Este valor é calculado por meio de aproximação dada pela Eq. 9.7. Esta equação é conhecida como aproximação de Welch-Satterwaite. n i i i C ef U U 1 4 4 (9.7) Incerteza de medição 249 Onde, ef é o grau de liberdade efetivo. Na prática os experimentalistas multiplicam o valor da incerteza combina por 2 para uma confiabilidade de 95,45%. Mais se deve observar que a rigor o valor 2 é utilizado apenas quando o valor encontrado pela equação for maior que 100. A metrologia trabalha com resultados de incerteza que vão de 95% até acima de 99% de confiabilidade. Os valores para fator de abrangência k para o nível de confiança em função do número de graus de liberdade efetivos (Vef) são dados pela Tab. 9.1. Tabela 9.1: Graus de liberdade para o fator de expansão. ef (n-1) Probabilidade (P)/ nível de confiança 95% 95,45% 99% 99,97% 1 12,71 13,97 63,66 235,8 2 4,300 4,530 9,920 19,21 3 3,180 3,310 5,840 9,220 4 2,780 2,870 4,600 6,620 5 2,570 2,650 4,030 5,510 6 2,450 2,520 3,710 4,900 7 2,360 2,430 3,500 4,530 8 2,310 2,370 3,360 4,280 10 2,230 2,280 3,170 3,960 12 2,180 2,230 3,050 3,760 14 2,140 2,230 2,980 3,640 16 2,120 2,170 2,920 3,540 18 2,100 2,150 2,880 3,480 20 2,090 2,130 2,850 3,420 25 2,060 2,110 2,790 3,330 30 2,040 2,090 2,750 3,270 35 2,030 2,070 2,720 3,230 40 2,020 2,060 2,700 3,200 45 2,010 2,060 2,690 3,180 50 2,010 2,0502,690 3,160 60 2,007 2,040 2,670 3,130 80 2,002 2,030 2,652 3,098 100 1,984 2,025 2,626 3,077 1,960 2,000 2,576 3,000 9.3.4 Caso especial da incerteza Tipo A Este caso e dado pela seguinte condição: Incerteza de medição 250 Existir apenas uma componente de incerteza Tipo A; Número de medições (n) pequeno; Número de medições (n) maior que dois; Incerteza padronizada Tipo A maior que a metade da incerteza combinada: Ua (Uc / 2). Quando a condição acima for atendida, deve ser calculado um novo k. Este novo k é retirado da tabela de distribuição de Student (95%) entrando-se com o grau de liberdade efetivo calculado vef.da Eq. 9.7. Para incertezas Tipo B, considerar i = e por tanto, o denominador da equação acima terá somente as componentes Tipo A, já que as do Tipo B serão iguais à zero. 9.3.5 Calibração de instrumentos por faixas de indicação A grande maioria dos equipamentos tem uma faixa de utilização e ao longo desta faixa podem-se ter erros localizados uma forma de atenuar o erro localizado é combinando todas as variâncias ao longo das faixas de calibração. Este método é muito prático, pois, através de sua aplicação é possível estimar uma variância melhor distribuída entre todas as indicações de um conjunto de medições. Para se combinar a variância de várias faixas de indicação é utilizada a Eq. 9.8. 22 .)( S SC (9.8) Onde, é o grau de liberdade referente ao numero de medições na faixa e S é o desvio padrão do total de medições por faixa de indicação. Incerteza de medição 251 9.3.6 Comparação da tolerância de fabricação com a incerteza de medição Tolerância de Fabricação (IT): faixa de valores aceitáveis para uma dimensão. Por exemplo, um diâmetro com 60 milímetros e uma tolerância de 4 milímetros (d = 60 ± 2 mm). Incerteza de Medição: faixa de valores que exprime a dúvida do processo de medição. É provocada por várias fontes de erros. Deve-se realizar uma medição para determinar se o diâmetro efetivo está entre os limites aceitáveis. Deve-se obedecer a seguinte regra: 10/ITU . Para o diâmetro acima, o processo de medição tem de apresentar mmU 20,010/2 . Exemplos resolvidos A massa de um anel foi determinada em uma balança eletrônica. Foram realizadas 12 medições, obtendo-se os seguintes valores ta Tab. 9.2 a seguir: Tabela 9.2: Medições da massa de um anel padrão (g). 19,85 20,00 20,05 19,95 20,00 19,85 19,90 20,05 19,95 19,85 19,90 20,05 A balança tem um certificado de calibração com os seguintes dados descritos no Qd. 9.1 a seguir: Quadro 9.1: Dados de calibração de uma balança eletrônica. Temperatura de calibração Estabilidade térmica Estabilidade temporal 20 °C 0,025 g/ °C ± 0,02 g/ mês Indicação (g) Correção (g) U (K = 2) 0 0 ± 0,05 5,00 -0,05 ± 0,06 ---- ---- ---- 20,00 -0,15 ± 0,08 Resolução Temperatura de medição Ultima calibração 0,05 g 24,0 ≤ T ≤ 26,0 °C 5 meses Incerteza de medição 252 Solução: I. Cálculo das incertezas padrão: Fonte de incerteza: Repetitividade da indicação (Tipo A) n x xS xS repetuxu 12 11 19,950 g 0,080 g 0,023 g ± 0,023 g a) Fonte de Incerteza: Não linearidade da balança (Tipo B). Baseada nos dados existentes. A calibração indica correção para vários pontos na faixa de medição: gx 95,19 ; Será utilizado um valor aproximado de gx 20 . O certificado de Calibração determina uma correção de - 0,15 g. Assim: gCnl 15,0 A Calibração indica a incerteza expandida para vários pontos na faixa de medição. Para gx 20 , tem-se: gU 08,0 . Indicou-se 2k . Assim, A incerteza padrão fica: unl = 0,08/ 2 gunl 04,0 Para o valor de gx 20 tinha-se uma incerteza expandida gU 08,0 . (Para calcular este valor de U foi necessário um procedimento igual ao deste exemplo, ou seja, cálculo das incertezas padrão, combinada e expandida). A determinação da incerteza padrão desta fonte de incerteza foi realizada através da divisão do valor de U pelo fator k = 2. b) Fonte de Incerteza: Resolução Limitada (Tipo B) Resolução (R): 0,05 g. (Erro de truncamento: gRE máxtr 025,02/. ) Admitindo uma distribuição retangular centrada no zero com Limite superior (Ls) = 0,025 g e Limite inferior (Li) = -0,025 g, calcula-se a = 0,025 e a incerteza. gauresol 014,03 025,0 3 guresol 014,0 Incerteza de medição 253 c) Fonte de Incerteza: Estabilidade temporal (Tipo B) Período da ultima calibração: 5 meses com o acréscimo de ±0,02 g/ mês, logo o erro total = ±0,10 g. Admitindo uma distribuição retangular centrada no zero, onde: (Ls = 0,10 g) e (Li = - 0,10 g), calcula-se a = 0,10 e a incerteza. gau tempE 06,03 01,0 3.. gu tempE 06,0.. d) Fonte de Incerteza: Estabilidade Térmica (Tipo B) CgCTcalib /025,020. ; CTMáx 26 ; CTMín 24 Erro máximo (Emáx): g15,0025,0.2026 Erro mínimo (Emín): g10,0025,0.2024 Erro total (Et): as EE Erro sistemático (Es): g125,02/15,010,0 gC térmest 125,0. Admitindo uma distribuição retangular para a componente aleatória com (Ls = 0,15 g) e (Li = 0,10 g) calcula-se a = 0,025. Isto significa que o gEa 025,0 . A incerteza fica: gau térmEst 014,03 025,0 3.. gu térmEst 014,0.. Obs.: Es = 0,125 g; Ea = 0,025 g; Etot = Es +Ea = (0,125 0,025) g Emáx = (0,125 + 0,025) g = 0,150 g Emín = (0,125 + 0,025) g = 0,100 g II. Cálculo da incerteza combinada Aplicando a Eq. 9.6: 2.2.222 térmesttempestresolnlrepc uuuuuu 22222 014,006,0014,004,0023,0 cu guc 0782,0 Incerteza de medição 254 O valor de uc reflete a ação combinadas de todas as 5 fones de incerteza anteriores sobre o resultado da medição, com uma probabilidade de enquadramento de 68,27%. Parcela Sistemática O erro sistemático foi calculado em duas fontes de incertezas. Calculou-se então a correção C: Cnl = -0,15 g; Cest. térm = -0,125 g Correção combinada: Cc = -0,15 + (-0,125) Cc = -0,275 g III. Cálculo da incerteza expandida Calcula-se o número de graus de liberdade efetivo através da equação de Welch- Satterwaite. 1455 ...04,0 11 023,0 078,0 44 4 1 4 4 n i i i C ef U U Da Tab. 9.1 com ef = 1455 e P = 95,45% k = 2. Logo, gU 156,02.078,0 . Arredondando-se: gU 16,0 O valor de U reflete a ação combinadas de todas as cinco fontes de incerteza anteriores sobre o resultado da medição, com uma probabilidade de enquadramento de 95,45%. IV. Resultado da medição RM = 19,950 - 0,275 ± 0,16 g RM = 19,68 ± 0,16 g gRM 16,068,19 Este procedimento acima descrito pode ser exemplificado no Qd. 9.1 a seguir: Incerteza de medição 255 Tabela 9.2: Resumo do calculo de incerteza para balança. Fonte de erro Efeitos sistemáticos Efeitos aleatórios Símbolo Descrição Unid V. bruto correção V. bruto Distrib. Divisor u Rep. Repetitividade g 0 0 0,023 Norm. 1 0,023 11 Nl Não linear. balança g 0,15 -0,15 0,08 Norm. 1 0,040 ∞ Resol Resol. da indicação g 0 0 0,025 Retang. 3 0,014 ∞ Est. Temp. Estab. temporal g 0 0 0,10 Retang. 3 0,060 ∞ Est. Térm. Estab. térmica g 5 -0,125 0,025 Retang. 3 0,015 ∞ Cc Correção comb. g -- -0,275 ∞ uc Incert. combinada g -- Norm. 0,078 1455 U Incert. expandida g -- Norm. 0,156 Calibração por faixas A seguir é dado o exemplo de um voltímetro digital: Resolução: 0,1 mv Faixa de indicação: 0 a 200 mv Padrão de referência: multímetro digital HP-3458A; resolução: 0,001 mv; U = 0,001 % (k=2); Drift (estabilidade) = 0,002 mv Temperatura durante a calibração: 23 1°C. Os valores medidos se encontram na Tab. 9.3. Tabela 9.3: Medições de um voltímetro (mv). Faixa indicação 1 2 3 4 5 x S2 40,0 40,11 40,15 40,16 40,12 40,11 40,130 0,00055 80,0 80,12 80,16 80,14 80,13 80,10 80,130 0,00050 120,0 120,08 120,12 120,14 120,10 120,13 120,114 0,00058 160,0 160,22 160,18 160,17 160,18 160,15 160,180 0,00065 200,0 200,21 200,23 200,26 200,27 200,18 200,23 0,00014 Aplicando a Eq. 9.7. 000484,0 44444 00014,0.400065,0.400058,0.400050,0.400055,0.42 CS Incerteza de medição 256 022,0000484,02 CC SS O grau de liberdade (Gl) de todas as medições das faixas é dado pela soma de todas as medições executadas em todas as faixas, logo: 20–1 = 19. O desvio padrão a ser considerado ao longo da faixa de indicação do instrumento é 0,022 mv. O resumo de todos os procedimentos estabelecidos é dado no quadro 9.2. Quadro 9.2: Cálculo de incerteza de um multímetro. Fontes de erro Efeitos sistemáticos Efeitos aleatórios Símbolo Descrição Valor Tipo Divisor Fator deconversão Valor convertido au Desvio padrão 0,022 mv Normal 5 100.2001 0,00492 19 resu Resolução / 2 0,005 mv Retangular 3 100.2001 0,00144 herdu Incert. herdada 0,001 % Normal 2 1 0,00050 driftu Drift do multímetro 0,002 mv Retangular 3 100.2001 0,00058 cu Incerteza combinada 0,00518 23,4 U Incerteza expandida 0,0109 K = 2,11 A incerteza de medição para este voltímetro é de 0,011 %. Exercícios a) Calibração de um micrometro Um micrômetro analógico de capacidade de leitura entre 25 a 50 mm, foi calibrado ao longo de toda sua faixa de uso. Os valores obtidos estão dispostos no Qd. 9.3 Quadro 9.3: Valores de medição de do micrometro analógico de 25 a 50 mm. Faixas (mm) 25,00 27,35 33,50 43,10 50,00 Medições 25,01 27,35 33,49 43,11 50,00 25,01 27,35 33,49 43,11 50,00 25,00 27,35 33,49 43,10 50,01 25,00 27,35 33,49 43,10 50,01 25,00 27,34 33,50 43,10 50,00 O instrumento possui resolução de 0,01 mm, e para cada faixa de calibração foram definidas as incertezas herdadas relativas as montagem dos padrões utilizados, elas se encontram no Qd. 9.4. Incerteza de medição 257 Quadro 9.4: Incertezas dos padrões utilizados na calibração do micrometro de 25 a 50 mm. Faixas (mm) 25,00 27,35 33,50 43,10 50,00 Incerteza U ± 4 µm ± 4 µm ± 7 µm ± 5 µm ± 4 µm Fator k 2 2,04 2,02 2 2 A temperatura de referência para calibração é de 20 °C, Porém, houve uma variação de 1,3 °C durante o processo de calibração. Existe um erro de paralelismo de 0,6 µm entre as pontas do instrumento. Descreva: i. A curva de erros deste equipamento; ii. A incerteza combinada; iii. A incerteza expandida; b) Calibração de um banco micrométrico Dado o grupo de medições do Qd. 9.5 Quadro 9.5: Grupo de medições das faixas de um banco micrométrico. Medição 0 5,500 35,150 99,950 200,000 315,000 1 -0,0003 5,5008 35,1501 99,9505 199,9998 315,0009 2 -0,0001 5,5007 35,1500 99,9502 199,9999 315,0005 3 -0,0001 5,5004 35,1501 99,9507 199,999 315,0005 Os dados acima são referentes a um banco micrométrico com a capacidade de efetuar medições até 315 mm de comprimento. Este equipamento possui resolução de 0,1 µm com indicação digital. As montagens dos blocos padrões usados na calibração contribuem com as seguintes incertezas herdadas: Faixa 5,500 35,150 99,950 200,000 315,000 I. Herdada 0,3 0,5 0,9 0,6 1,1 k 2,02 2,01 2 2 2,06 A temperatura influenciou em 0,8°C em cada comprimento dimensionado. Encontre: (a) Tendência; (b) Repetitividade; (c) A curva de erros do sistema e (e) a incerteza média com base na variância combinada. Incerteza de medição 258 c) Calibração de um termômetro digital Utiliza-se um termômetro eletrônico com indicação digital para medir temperatura de blocos padrão, que devem estar numa temperatura próxima a 20 °C. A incerteza deste termômetro (SMC) é obtida através da calibração efetuada usando-se como padrão um outro termômetro (SMP). A leitura é feita somente após a estabilização em uma câmara climatizada. Características do SMC: Faixa de Temperatura de interesse: 19 a 21 °C. Resolução da indicação: 0,01 °C. Características do SMP: Faixa de Medição: 19 a 21 °C. Valor de uma divisão: 0,01 °C. Resolução: 0,005 °C. Incerteza: U95 = ± 0,005 °C. Homogeneização: Incerteza U95 = ± 0,01 °C (Assumir distribuição retangular). Procedimento adotado: Realizaram-se três medições em cada nível - conforme Qd. 9.6. Quadro 9.6: Medições efetuadas pelo termômetro. medida Faixa (°C) 19 20 21 1 19,110 20,130 21,140 2 19,110 20,120 21,140 3 19,110 20,123 21,138 Fazer uma análise Completa das Incertezas envolvidas para cada uma das três indicações do SMC. Obteve-se uma medida I = 20,01 °C. Qual é o resultado da medição? Incerteza de medição 259 d) Calibração de um paquímetro Efetuou-se a medição do comprimento de uma barra de alumínio (Al). A barra estava em uma fábrica, cuja temperatura ambiente era de 45 °C. O paquímetro também estava na fábrica há mais de três dias sob a mesma temperatura. Sabe-se ainda que: 16 /10.24 CmAl 16 /10.11 CmFe Temperatura referência Coef. Dilatação alumínio Coef. Dilatação ligas ferrosas 20 °C Foram realizadas três medições com as seguintes indicações: Indicação 1: 1000,58 mm Indicação 2: 1000,54 mm Indicação 3: 1000,56 mm Faça uma avaliação das incertezas e determine a incerteza expandida com probabilidade de 95%, para a barra de Alumínio, considerando-se as informações adicionais: Pode existir uma diferença de temperatura entre a barra e o paquímetro de até 2 °C; O paquímetro é feito de aço inoxidável e possui uma incerteza mU 15095 . Foi usado um termômetro digital para medir a temperatura da fábrica (T = 45 °C). Este possui incerteza de CU 3,095 . e) Calibração de uma máquina universal de medidas Devem-se aplicar blocos padrões de diversos tamanhos ao longo da faixa de medição da máquina. Tem-se um bloco padrão com L = 50,000 mm. Sabe-se que: Incerteza do padrão é U95 = ± 0,085 µm; Resolução da Máquina Universal (R): 0,5 µm; Temp. referência na qual se deseja conhecer o resultado: TREF = 20 °C; Temperatura de medição TMED = 20 a 24 °C. Difer. Temp. entre o bloco padrão e a indicação da máquina: CT f 2,0Re ; Bloco padrão e o medidor da máquina são de aço ( 16 /10.11 Cm ). Faça uma análise de incertezas da calibração para esta dimensão do bloco padrão.
Compartilhar