UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SO FRANCISCO

CAMPUS JUAZEIRO/BA

CALIBRAO DE SISTEMAS DE MEDIO

Trabalho do segundo perodo referente matria de Metrologia, ministrada pelo Professor Marcos Irmo.

Juazeiro

2012

CURSO DE ENGENHARIA MECNICA

CAIO BRANDO DE OLIVEIRA LUCAS ALEXANDRINO MOREIRA DOS SANTOS

TCITO IAGO DOURADO DOS SANTOS

CALIBRAO DE SISTEMAS DE MEDIO

Um sistema de medio tem por finalidade a apresentao de

informaes confiveis de um estado momentneo de um mesurando que se deseja

estudar, determinando o mensurando como um mltiplo ou frao de uma unidade

tida como padro e de reconhecimento internacional. Assim, para que se tenha a

confiana nos dados obtidos, preciso que o sistema de medio em uso tenha

passado por um rigoroso processo no qual se verificado se o desempenho

metrolgico do sistema de medio est de acordo com os padres esperados.

Para a qualificao de um sistema de medio, se leva em conta

como esse sistema opera em relao aos erros associados a ele. Um bom sistema

de medio aquele que opera com pequenos erros associados e projetado para

otimizar os erros sistemticos e aleatrios em toda a sua faixa de medio nas

condies nominais.

Todo o sistema de medio construdo sempre apresentar erros

relacionados com o seu funcionamento. Por melhores que sejam as suas

caractersticas, sempre existir erros influenciados por fatores internos e externos ao

sistema de medio. Quando h o conhecimento das incertezas que levam ao erro

no sistema de medio, se tem uma estimao mais segura do resultado.

O procedimento experimental que relaciona os valores indicados

pelo sistema de medio a sua correspondncia com o mensurando sendo medido

chamado de Calibrao. um processo importante em qualquer que seja a rea de

atuao dos sistemas de medio e sua realizao proveniente de entidades

credenciadas aptas a sua aplicao.

OPERAES DE QUALIFICAO DOS SISTEMAS DE MEDIO

So quatro as operaes para a qualificao de um sistema de

medio:

Calibrao: Procedimento experimental para estabelecimento, sob condies

especficas, da relao entre valores indicados pelos sistemas de medio ou

valores representados por um instrumento de medio ou valores representados

por uma medida materializada e os valores relacionados com as grandezas

tomadas como padres.

As calibraes asseguram as incertezas requeridas aos processos metrolgicos,

garantindo tambm rastreabilidade das medies e reduo de erros com as

correes. As correes devem ser utilizadas sempre que ocorrerem

sobrecargas dos sistemas de medio, assim como quedas, mal ou

desconfiana dos resultados obtidos. Devem acontecer periodicamente sempre

aps a manuteno para que se possa assegurar a qualidade das medies. A

calibrao deve ser realizada por laboratrios credenciados, certificados (ISO

9001), avaliados (Rede Estaduais) ou qualquer entidade com rastreabilidade

assegurada. No Brasil se tem a Rede Brasileira de Calibrao (RBC), sob

coordenao do INMETRO. A rede composta por laboratrios ligados a

Universidades, Empresas, Fundaes e entidades que tenham o

credenciamento do INMETRO e podem disponibilizar certificados de calibrao

oficiais.

Os resultados das calibraes estabelecem os valores do mensurando para com

as indicaes, determina as correes a serem aplicadas. Estes resultados

sempre so registrados em documentos de caractersticas especficas

chamados de certificados de calibrao. Estes certificados possuem informaes

acerca do desempenho metrolgico do sistema de medio. Como seu principal

resultado, apresenta em todos os pontos medidos ao longo da faixa de medio:

estimativas da correo a ser aplicadas e estimativas de incertezas associadas

correo.

Ajuste: uma operao efetuada aps a calibrao, realizada quando o sistema

de medio no esta apresentando desempenho metrolgico como o esperado.

Basicamente uma regulagem interna do sistema de medio executada por

um tcnico especializado. A finalidade da medio fazer coincidir o valor

apresentado do sistema de medio com o valor do mensurando estudado.

Aps a concluso do ajuste se faz necessrio uma nova calibrao para se

estudar o novo comportamento do sistema de medio, com os ajustes

realizados.

Regulagem: Outra operao realizada aps a calibrao. Envolve ajustes

efetuados em controles externos colocados em geral a disposio do usurio do

sistema de medio. importante para o correto desempenho do sistema de

medio.

Verificao: Operaes realizadas por entidades oficiam denominadas de

Institutos de Pesos e Medidas Estaduais (IPEM). A sua funo comprovar

que: um sistema de medio est operando corretamente dentro das

caractersticas estabelecidas por lei; uma medida materializada apresente

caractersticas estabelecidas por normas legais.

DESTINO DOS RESULTADOS DE UMA CALIBRAO

Com os resultados das calibraes estabelecidos, elas podem ter os

seguintes destinos:

Levantamento da curva de erro para se determinar que nas condies em que

foi calibrado o sistema de medio est seguindo uma norma legal;

Levantamento da curva de erro para se ter os parmetros operacionais de ajuste

do sistema de medio;

Levantamento com riqueza de detalhes da curva de erros e tabelas com valores

da correo e sua incerteza, para se corrigir os efeitos sistemticos onde se ter

uma reduo da incerteza do resultado da medio;

Anlise do comportamento do sistema de medio no seu desenvolvimento e

aperfeioamento;

Anlise do comportamento metrolgico e operacional dos sistemas de medio

em condies de elevadas temperaturas, ausncia de gravidade, elevadas

presses, etc.

MTODOS DE CALIBRAO

Fundamentalmente os mtodos de calibrao so determinados

pelos tipos de padres e a maneira na qual so empregados. Os mtodos mais

utilizados so denominados como: calibrao direta, calibrao indireta e calibrao

parcial.

CALIBRAO DIRETA

Na calibrao direta o mensurado aplicado sobre o sistema de

medio por meio de medidas materializadas, cada qual com seu valor verdadeiro

convencional suficientemente conhecido para que possam ser comparados.

As incertezas do padro devem ser suficientemente pequenas para

que as eventuais diferenas encontradas entre esses valores possam ser atribudas

aos erros do sistema de medio calibrado.

necessrio dispor de uma coleo de medidas materializadas

suficientemente completa para cobrir toda a faixa de medio do instrumento. As

indicaes dos sistemas de medio so confrontadas com cada valor verdadeiro

convencional e a correo e sua incerteza so estimadas por meio de medies

repetitivas.

A calibrao da balana usando massa padro e a calibrao de

blocos padres so exemplos de calibrao direta.

Este mtodo de calibrao vem sendo bastante utilizado em

laboratrios de metrologia de maior porte, apesar do seu auto custo de aquisio e

manuteno, devido a sua estabilidade e a permanncia de suas caractersticas

metrolgicas por longos perodos.

CALIBRAO INDIRETA

Na calibrao indireta, o mensurado gerado por meio de um

dispositivo auxiliar, que atua simultaneamente no sistema de medio a calibrar

(SMC) e tambm no sistema de medio padro (SMP), isto , um segundo sistema

de medio que no apresente erros superiores a 1/10 dos erros do SMC. As

indicaes do SMC so comparadas com as do SMP, sendo estas adotadas como

VVC, e os erros so determinados.

Este tipo de calibrao utilizado em grandezas onde o conceito de

medidas materializadas no pode ser aplicado, o que inviabiliza a utilizao da

calibrao direta. Como exemplo de calibrao indireta temos a calibrar o

velocmetro de um automvel, a calibrao de um voltmetro utilizando um voltmetro

padro como referncia.

Para calibrar o velocmetro de um automvel pela calibrao

indireta, o automvel posto em movimento. Sua velocidade em relao ao solo,

alm de indicada pelo velocmetro, tambm medida por meio de um sistema de

medio padro constitudo ou por uma quinta roda, afixada na parte traseira do

automvel ou por meio da utilizao de sensores que usam um raio laser dirigido ao

solo e, atravs da anlise do tipo de sinal que retorna, determinam a velocidade real

do automvel, cujos erros devem ser significativamente menores que os erros do

velocmetro a calibrar. Neste exemplo o prprio automvel o gerador da grandeza

padro, isto , da velocidade, que simultaneamente submetida a ambos os

sistemas de calibrao. Para levantar a curva de erros, o automvel deve trafegar

em diferentes patamares de velocidade repetidas vezes.

Para realizar calibraes pelo mtodo indireto, necessrio um

investimento razovel, uma vez que seus resultados s so dinmicos e estveis

desde que as caractersticas do sistema de medio-padro e da infraestrutura de

calibrao permita-os.

CALIBRAO PARCIAL

Normalmente objetiva-se determinar o comportamento operacional e

metrolgico do sistema de medio na sua integralidade, isto , do conjunto formado

pelos mdulos sensor/transdutor, transmisso ou tratamento de sinal, dispositivo

mostrador e demais, que compem a cadeia de medio.

Este sistema de medio pode apresentar-se de forma independente

(ex: manmetro, mquina de medir por coordenadas) ou pode estar integrado a um

sistema composto de vrios elementos interligveis fisicamente (ex: clula de carga

+ amplificador da mquina de ensaio de materiais, termmetro de um reator nuclear,

formado por termopar + cabo de compensao + voltmetro).

No raro, especialmente nas fases de desenvolvimento e

fabricao de mdulos, ser invivel a calibrao do sistema de medio como um

todo. Esta dificuldade pode surgir em funo do porte e complexidade do sistema ou

da dificuldade tecnolgica de se obter uma grandeza padro com a qualidade

necessria ou de se manter todas as variveis influentes sob controle.

Nestes casos, comum efetuar calibraes separadamente em

alguns mdulos do sistema, tendo sempre em vista que estes devem apresentar um

sinal de sada definido (resposta) para um sinal de entrada conhecido (estmulo). A

anlise do desempenho individual de cada mdulo possibilita a determinao das

caractersticas de desempenho do conjunto.

Frequentemente um mdulo isolado no tem condies de operar

plenamente. necessrio acrescentar elementos complementares para formar um

SM que tenha condies de operar. Para que estes elementos complementares no

influam de forma desconhecida sobre o mdulo a calibrar, necessrio que o erro

mximo introduzido por cada elemento no seja superior a um dcimo do erro

admissvel ou esperado para o mdulo a calibrar.

Na prtica, existem alguns sistemas de medio que fornecem, para

grandezas vetoriais, diversas indicaes (ex: as trs componentes cartesianas de

uma fora, as trs coordenadas da posio de um ponto apalpado). A calibrao

deste sistema normalmente efetuada para cada uma destas componentes do vetor

isoladamente, da forma usual. Deve-se adicionalmente verificar se h influncia da

variao de uma das componentes sobre as demais, ou seja, os coeficientes de

influncia.

RASTREABILIDADE

Para que o valor da medida materializada, ou o indicado pelo SMP,

possa ser adotado como valor verdadeiro convencional (VVC), necessrio que

seus erros sejam sensivelmente menores que os erros esperados no SMC.

Tecnologicamente, quanto menores os erros do padro melhor. Economicamente,

quanto menores os erros do padro, maior seu custo. Procurando buscar o

equilbrio tcnico-econmico, adota-se como padro um elemento que, nas

condies de calibrao e para cada ponto de calibrao, apresente incerteza no

superior a um dcimo da incerteza esperada para o sistema de medio a calibrar.

Assim:

Na equao acima, U representa a incerteza expandida, que

corresponde faixa de dvidas que resultam das medies efetuadas com os

respectivos sistemas de medio.

Desta forma, o SMP apresentar ao menos um dgito confivel a

mais que o SMC, o que suficiente para a determinao dos erros deste ltimo.

Excepcionalmente, em casos onde muito difcil ou caro de se obter um padro 10

vezes superior ao SMC, usa-se o limite de 1/5 ou at mesmo 1/3 para a razo entre

as incertezas do SMP e o SMC. Este ltimos devem ser analisados com cuidado

para que a incerteza da calibrao no venha a ser muito elevada.

Em funo da mudana do comportamento do instrumento com a

velocidade de variao do mensurado, distinguem-se a calibrao esttica e a

dinmica. Apenas nos instrumentos de ordem zero a calibrao esttica coincide

com a dinmica. Nos demais casos, necessrio determinar a resposta do SM para

diversas frequncias de variao do mensurado.

Qualquer sistema de medio deve ser calibrado periodicamente.

Este perodo , algumas vezes, especificado por normas, ou fabricantes de

instrumentos, ou outras fontes como laboratrios de calibrao, porm so

influenciados pelas condies e/ou frequncia de uso.

Para a calibrao de um SM em uso na indstria, so geralmente

usados padres dos laboratrios da prpria indstria. Entretanto, estes padres

precisam ser calibrados periodicamente, o que executado por laboratrios

secundrios da RBC. Mas tambm estes padres precisam ser calibrados por outros

que, por sua vez, tambm necessitam de calibrao e assim por diante.

Estabelece-se assim uma hierarquia que ir determinar nos padres

primrios internacionais, ou mesmo, na prpria definio da grandeza. A calibrao

peridica dos padres garante a rastreabilidade internacional, ou seja a coerncia

das medies no mbito mundial.

PROCEDIMENTO GERAL DE CALIBRAO

Primeiramente fundamental o conhecimento integral de toda a

operao metrolgica do sistema de medio, ou seja, do conjunto formado por

todos os mdulos sensor/transdutor, transmisso ou tratamento de sinal, dispositivo

mostrador e as demais funes que compem o processo de medio. Esse sistema

pode apresentar-se de forma independente, como no manmetro, ou fazer parte de

um sistema mais complexo, composto por vrios elementos interligados.

Alguns empecilhos que dificultem o processo de calibrao podem

surgir ao longo do caminho como, por exemplo, o tamanho e complexidade do

sistema de medio ou dificuldade de se obter uma grandeza padro correta e at

mesmo de se manter todas as variveis influentes no processo sob o controle.

Nessas ocasies o ideal concluir a calibrao individualmente em cada modulo do

sistema para melhor visualizao do desempenho de todo o conjunto.

Para que o processo de calibrao seja eficiente e de qualidade

necessrio um operador especializado e com um amplo conhecimento na rea de

metrologia e do sistema de medio a calibrar (SMC). A NBR e ISO so

responsveis por elaborar normas e procedimentos padres que devem ser

seguidos pelo operador. Se por acaso tais procedimentos no existir, a operao

deve ser executada com base em informaes obtidas de normas tcnicas e

recomendaes do fabricante, alem do conhecimento na rea de metrologia.

A seguir um roteiro geral para a calibrao de um SM dividido em

oito etapas que visa apenas orientar o operador s recomendaes bsicas.

1 ETAPA: DEFINIO DOS OBJETIVOS:

Primeiramente definir os objetivos do processo de calibragem para

saber qual ser a abrangncia do estudo.

Dados para ajustes e regulagens: Faz-se apenas estudo de alguns pontos na

faixa de medio do SMC.

Levantamento da curva de erros: Utiliza grande nmero de pontos da faixa de

medio do SMC e realizar diversos ciclos para reduzir as incertezas nas

tendncias ou nas correes dos valores.

Dados para verificao: Com base em recomendaes especificas e normas da

metrologia os dados levantados tem uma intensidade intermediaria.

Avaliao completa: A calibrao realizada em vrias condies operacionais

diferentes levando em conta a influencia da temperatura, vibraes, tenso,

campos eletromagnticos e etc.

2 ETAPA: IDENTIFICAO DO SISTEMA DE MEDIO A CALIBRAR (SMC)

Recomenda-se um estudo aprofundado do SMC atravs de

manuais, normas, literatura complementar e todas as recomendaes fornecidas

pelo fabricante, para um melhor entendimento do modo de operao e das

caractersticas metrolgicas dos mdulos independentes. Posteriormente identificar

e caracterizar o instrumento documentando o nmero de fabricao, nmero de

serie, modelo etc.

3 ETAPA: SELEO DO SISTEMA DE MEDIO PADRO (SMP).

Aps a identificao do SMC, o prximo passo selecionar o SMP

apropriado para o instrumento levando em considerao que as incertezas do SMP

no devem ser superiores a 0,1% da incerteza esperada para o SMC. (A faixa de

medio do SMP deve ser maior que a do SMC).

4 ETAPA - PREPARAO DO EXPERIMENTO

fundamental que antes de comear o processo de calibragem seja

criado um memorial onde o operador possa registrar todos os eventos associados

com a atividade. Posteriormente ter em mos o planejamento detalhado de todo o

procedimento para que a calibrao seja feita de maneira rpida, eficiente e com

reduo de custos.

Executar a calibrao segundo procedimento documentado em normas

especficas. Caso esse procedimento no existir realizar estudo com base em

manuais operativos, recomendaes tcnicas de fabricantes e/ou laboratrios de

calibrao.

Fazer um estudo do modo de operao SMP para que seja usado de maneira

correta e assim obter xito e confiabilidade no resultado.

Esquematizao do ensaio e preparao dos instrumentos a serem utilizados e

sequncia de operaes a serem obedecidas.

Organizao das planilhas de coleta de dados para facilitar a observao dos

dados e reduzir as probabilidades de erros e esquecimento de informaes

Montagem do experimento

5 ETAPA - EXECUO DO ENSAIO

Hora comear o processo de calibragem seguindo o roteiro j

estabelecido das operaes e registrar as condies atuais do ensaio. Qualquer

observao, anomalia ou informao adicional deve ser adicionada ao memorial de

calibrao com identificao detalhada e cronolgica para uma melhor identificao

de algum defeito ou erro inesperado ao longo do processo.

6 ETAPA - PROCESSAMENTO E DOCUMENTAO DOS DADOS:

Explicitar todos os clculos realizados de maneira clara e objetiva no

memorial, utilizando tabelas e grficos como forma de facilitar o entendimento dos

resultados.

7 ETAPA: ANLISE DOS DADOS:

A partir da curva de erros e dos valores calculados para a faixa de

medio, determinam-se os parmetros reduzidos correspondentes s

caractersticas metrolgicas e operacionais. Estes valores so comparados s

especificaes do fabricante, usurio, normas, e do lugar a um parecer final. Este

parecer pode ou no atestar a conformidade do SMC com uma norma ou

recomendao tcnica, apresentar instrues de como e restries das condies

em que o SMC pode ser utilizado, etc.

8 ETAPA - CERTIFICADO DE CALIBRAO

A partir do memorial, gera-se o Certificado de Calibrao, que o

documento final que ser fornecido ao requisitante, no qual constam as condies e

os meios de calibrao, bem como os resultados e os pareceres.

a) Descrio e identificao individual do SM a calibrar;

b) Data da calibrao;

c) Os resultados da calibrao obtidos aps, e quando relevante, os obtidos antes

dos ajustes efetuados;

d) Identificao do(s) procedimento(s) de calibrao utilizado(s);

e) Identificao do SM padro utilizado, com data e entidade executora da sua

calibrao, bem como sua incerteza;

f) As condies ambientais relevantes e orientaes expressas sobre quaisquer

correes necessrias ao SM a calibrar;

g) Uma declarao das incertezas envolvidas na calibrao e seus efeitos

cumulativos;

h) Detalhes sobre quaisquer manutenes, ajustes, regulagens, reparos e

modificaes realizadas;

i) Qualquer limitao de uso (ex: faixa de medio restrita);

j) Identificao e assinaturas da(s) pessoa(s) responsvel (eis) pela calibrao bem

como do gerente tcnico do laboratrio;

k) Identificao individual do certificado, com nmero de srie ou equivalente;

A norma NBR ISO 10 012-1 (Requisito da garantia da qualidade

para equipamentos de medio) prev que os resultados das calibraes devem

ser registrados com detalhes suficientes de modo que a rastreabilidade de todas as

medies efetuadas com o SM calibrado possam ser demonstradas, e qualquer

medio possa ser reproduzida sob as condies semelhantes s condies

originais.

REFERNCIAS

ALBERTAZZI, Armando e SOUZA, Andr R. Fundamentos de metrologia

cientfica e industrial. Barueri, SP: Manole, 2008.

ALBERTAZZI, Armando. Metrologia parte I. UFSC, LABMETRO. 2004. Disponvel

em: < http://www.labmetro.ufsc.br/Disciplinas/EMC6421/metrologia_1.pdf>. Acesso

em 27 out. 2012.