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Tipologia: Notas de estudo
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Rua Padre Antônio Vieira 37 – COHAB Anil IV – CEP. 65.051 670 - São Luís – MA
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APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA
Caro estudante,
A disciplina de Metrologia, oferecida no módulo segundo do curso Técnico em
Eletromecânica, lhe dará uma visão ampla acerca dos principais instrumentos e
procedimentos de medição. Dessa forma, você vai saber como um profissional técnico em
eletromecânica trabalha com medidas. No primeiro momento a presente apostila irá
apresentar um breve histórico do desenvolvimento dos instrumentos de medição, desde o
princípio em que o homem usava partes de seu corpo (pé, braço, mãos, etc.) para medir, até os
dias atuais em que contamos com os instrumentos mais exatos (analógicos e digitais),
baseados em normas nacionais e internacionais.
No decorrer dos capítulos será ainda apresentado como trabalhar com os principais sistemas
de unidades e instrumentos de medições (paquímetro, micrômetro, relógio comparador,
goniômetro, tacômetro) fazendo correspondência da teoria com a prática que será realizada no
laboratório.
Fique atento às atividades propostas nesta apostila, pois os exercícios são uma parte
importante para a fixação dos conteúdos. Por fim, esperamos que você tenha um bom
aproveitamento deste material, que vai servir como um companheiro de consultas para o resto
de sua vida. Lembramos que você não está sozinho. Uma ampla rede de profissionais estará
disponibilizada para interagir com você.
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Observações O resultado de uma calibração permite o estabelecimento dos valores daquilo que está sendo medido (mensurando) para as indicações e a determinação das correções a serem aplicadas. Uma calibração pode, também, determinar outras propriedades metrológicas, como o efeito das grandezas de influência. O resultado de uma calibração pode ser registrado em um documento denominado certificado de calibração ou relatório de calibração.
Ajustagem de um instrumento de medição: operação destinada a fazer com que um instrumento de medição tenha desempenho compatível com o seu uso.
Regulagem de um instrumento de medição: ajuste, empregando somente os recursos disponíveis no instrumento para o usuário.
2.4 NORMAS DE CALIBRAÇÃO
As normas da série NBR ISO 9000 permitem tratar o ciclo da qualidade de maneira global, atingindo desde o marketing e a pesquisa de mercado, passando pela engenharia de projeto e a produção até a assistência e a manutenção. Essas normas são tão abrangentes que incluem até o destino final do produto após seu uso, sem descuidar das fases de venda, distribuição, embalagem e armazenamento. Juntamente com a revisão dos conceitos fundamentais da ciência da medição será definida uma terminologia compatibilizada, na medida do possível, com normas nacionais (ABNT), internacionais (ISO) e com normas e recomendações técnicas de reconhecimento internacional (DIN, ASTM, BIPM, VDI e outras). No estabelecimento da terminologia, procura-se manter uma base técnico-científica. Ainda não existe no Brasil uma terminologia que seja comum às principais instituições atuantes no setor. A terminologia apresentada é baseada no VIM (Vocabulário Internacional de Metrologia), que busca uma padronização para que o vocabulário técnico de Metrologia no Brasil seja o mesmo utilizado em todo o mundo.
PTB - P hysikalisch T echnische B undesanstalt (Alemanha) NIST - N ational I nstitute of S tandards and T ecnology (EUA) NAMAS - Na tional M easurement A creditation S ervice (Inglaterra)
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Para que seja possível operacionalizar as ações referentes à confirmação metrológica e,consequentemente, atender às exigências das normas ISO 9000, nos itens relativos a controle deequipamentos de medição, inspeção e ensaios é necessária uma infraestrutura metrológica adequadaà universalidade das medições. Uma infraestrutura metrológica pressupõe, em nível nacional, uma padronização e disseminaçãode medidas, o que é obtido através de um laboratório metrológico central (Laboratório Primário), detentor dos padrões metrológicos nacionais, que tem a função de coordenar um conjuntode laboratórios de calibração secundários, calibrando os padrões destes laboratórios, formando,assim, uma rede de laboratórios. No Brasil encontra-se esta estrutura através do, Instituto Nacional de Metrologia Normalizaçãoe Qualidade Industrial (INMETRO) (laboratório primário) que é uma autarquia federal e oórgão executivo do Sistema Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (SINMETRO). As diretrizes de atuação do INMETRO são estabelecidas pelo Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (CONMETRO). O credenciamento de laboratórios pelo INMETRO consiste noreconhecimento formal dasua competência, avaliada segundo critérios internacionalmente reconhecidos e utilizados. O objetivo principal do credenciamento é garantir a confiabilidade dos serviços prestados pelos laboratórios que compõem a Rede Brasileira de Calibração (RBC) e a Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaios (RLE).
O Termo Metrologia Legal é definido pela OIML (Organização Internacional de Metrologia Legal) como parte da metrologia relacionada às atividades resultantes de exigências obrigatórias, referentes às medições, unidades de medidas, instrumentos e métodos de medição que são desenvolvidos por organismos competentes. Tem como objetivo principal proteger o consumidor tratando das unidades de medida, métodos e instrumentos de medição, de acordo com as exigências técnicas e legais obrigatórias. Com a supervisão do Governo, o controle metrológico estabelece adequada transparência e confiança com base em ensaios imparciais. A exatidão dos instrumentos de medição garante a credibilidade nos campos da economia, saúde, segurança e meio ambiente. No Brasil as atividades da Metrologia Legal são uma atribuição do Inmetro, que também colabora para a uniformidade da sua aplicação no mundo, pela sua ativa participação no MERCOSUL e na OIML.
3.2 METROLOGIA INDUSTRIAL
A Metrologia é a ciência que abrange todos os aspectos teóricos e práticos relativos às medições qualquer que seja a incerteza em qualquer campo da ciência ou tecnologia. Nesse sentido a Metrologia Científica e Industrial é uma ferramenta fundamental no crescimento e inovação tecnológica promovendo a competitividade e criando um ambiente favorável ao desenvolvimento científico e industrial em todo e qualquer país.
3.2.1 MANUTENÇÃO DA CREDIBILIDADE DOS LABORATÓRIOS
A fim de manter a credibilidade dos laboratórios de metrologia do Inmetro, várias ações foram tomadas, destacando-se a realização de comparações interlaboratoriais com instituições nacionais e internacionais, em áreas como: temperatura, umidade, resistência elétrica de alto valor e de indutância, incluindo comparações chave realizada sob a coordenação do Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM), além de comparações realizadas em âmbito nacional. Como evidência da credibilidade dos seus laboratórios o Inmetro mantêm registros atualizados da rastreabilidade dos seus Padrões Internacionais.
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Esta classificação permite estabelecer uma maneira racional para a disseminação dos valores das grandezas definidas pelo Sistema Internacional de Unidades, desde sua definição, desenvolvimento do fenômeno físico escolhido por acordo internacional, até as mais simples aplicações do processo de medição na cadeia produtiva. A precisão das medidas, obviamente, difere largamente entre os vários níveis da hierarquia de laboratórios metrológicos. Esta hierarquia possui os seguintes níveis:
Os padrões primários nacionais são calibrados em relação aos padrões primários internacionais. No ápice desta hierarquia, teríamos um impasse, pois não saberíamos quem deveria calibrar os padrões de referência internacionais. Como estes padrões são definidos por acordo internacional, eles são adotados por convenção e porque a realização do fenômeno físico que define a grandeza não está sujeita aos erros comumente identificados nos outros padrões. São realizados, periodicamente, no entanto, programas interlaboratoriais para estabelecer a dispersão com que a grandeza é definida internacionalmente, entre os vários institutos internacionais que participam do Birô Internacional de Pesos e Medidas (BIPM).
O estabelecimento de uma terminologia básica torna-se relevante para uma maior e melhor compreensão das atividades relativas à metrologia e seus recursos instrumentais. A seguir, serão apresentados alguns termos: METROLOGIA : Ciência das medidas e das medições. METROLOGIA LEGAL : Parte da metrologia que se refere às exigências legais, técnicas e administrativas, relativas às unidades de medida, aos métodos de medição, aos instrumentos de medir e às medidas materializadas.
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METROLOGIA CIENTÍFICA: Parte da metrologia relacionada às unidades de medida e seus padrões, estabelecimento, reprodução, conservação e transmissão. Seu objetivo é a padronização das unidades no mais alto nível, pesquisando processos para a medição de grandezas e encarregando-se, também, de sua normatização, sistematização e aprimoramento. CALIBRAÇÃO OU AFERIÇÃO: Conjunto de operações que estabelece, sob condições especificadas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição, ou sistema de medição, ou valores representados por uma medida materializada, ou um material de referência e os valores correspondentes das grandezas estabelecidas por padrões. CONTROLE METROLÓGICO : Operações que visam assegurar a garantia pública nos principais campos da metrologia legal. MEDIR: É o procedimento experimental pelo qual o valor momentâneo de uma grandeza física (grandeza a medir) é determinado como um múltiplo e/ou fração de uma unidade estabelecida por um padrão. MEDIÇÃO: Conjunto de operações que tem por objetivo determinar um valor de uma grandeza. GRANDEZA: Atributo de um fenômeno, corpo ou substância que pode ser qualitativamente distinguido e quantitativamente determinado. Observações: 1 - O termo “grandeza” pode referir-se a uma grandeza em um sentido geral (comprimento, tempo, massa, temperatura, resistência elétrica), ou a uma grandeza específica (comprimento de uma barra, resistência elétrica de um fio, concentração de etanol em uma amostra de vinho); 2 - Grandezas que podem ser classificadas, uma em relação à outra, em ordem crescente ou decrescente, são denominadas grandezas de mesma natureza; 3 - Grandezas de mesma natureza podem ser agrupadas em conjuntos de categorias de grandezas, por exemplo: a - Trabalho, calor, energia. b - Espessura, circunferência, comprimento de onda. 4 - Os símbolos das grandezas são dados na norma ISO 31. AJUSTE: (Ajustagem de um instrumento de medição): operação destinada a fazer com que um instrumento de medição tenha desempenho compatível com seu uso. REGULAGEM DE UM INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO: Ajuste, empregando somente os recursos disponíveis no instrumento para o usuário. EXATIDÃO DE MEDIÇÃO : Grau de concordância entre o resultado de uma medição e um valor verdadeiro do mensurando. Observações: 1 - Exatidão é um conceito qualitativo; 2 - O termo precisão não deve ser utilizado como exatidão. INCERTEZA DE MEDIÇÃO : Parâmetro, associado ao resultado de uma medição, que caracteriza a dispersão dos valores que podem ser fundamentadamente atribuídos a um mensurando. ERRO DE MEDIÇÃO : Resultado de uma medição menos o valor verdadeiro do mensurando. Uma vez que o valor verdadeiro não pode ser determinado, utiliza-se na prática, um valor verdadeiro convencional. ERRO ALEATÓRIO : Resultado de uma medição menos a média que resultaria de um infinito número de medições do mesmo mensurando, efetuadas sob condições de repetitividade. Observações: 1 - O erro aleatório é igual ao erro menos o erro sistemático; 2 - Em razão de que, apenas um finito número de medições pode ser feito, é possível apenas determinar uma estimativa do erro aleatório. ERRO SISTEMÁTICO : Média que resultaria de um infinito número de medições do mesmo mensurando, efetuadas sob condições de repetitividade, menos o valor verdadeiro do mensurando. Observações: 1 - O erro sistemático é igual ao erro menos o erro aleatório; 2 - Analogamente ao valor verdadeiro o erro sistemático e suas causas não podem ser completamente conhecidos;
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Como algumas dessas medidas-padrão continuam sendo utilizadas atualmente define-se então seus correspondentes em centímetro: 1 polegada = 2,54 cm 1 pé = 30,48 cm 1 jarda = 91,44 cm Devido à diversificação de padrões existentes ao redor do mundo que dificultava as transações comerciais entre os países houve a necessidade da unificação dos sistemas de medidas até então utilizados. Assim, em fins do século XVIII, mais precisamente no ano de 1789, foi criada na França uma comissão de homens de ciência para a determinação e construção de padrões, de tal modo que fossem universais. Esses padrões deveriam reproduzir fenômenos naturais, para que nãodependessem de futuras mudanças. Após estudos e pesquisas, a comissão, que incluía nomes famosos como Borda, Lagrange e Laplace, concluiu que a unidade de comprimento deveria pertencer ao sistema decimal, de maior facilidade de utilização e presa a um dos seguintes fenômenos naturais: a - O comprimento de um pêndulo de período (duas oscilações) igual a 1 segundo, latitude de 45°. b - O comprimento de ¼ de meridiano terrestre, medido do Equador a um dos polos. Como na primeira proposição, a medida iria depender de grandezas alheias ao comprimento, como o tempo e o peso, foi aceita a proposição do meridiano, pois, além de não apresentar os problemas da proposição anterior, já contava com uma importante comparação. O meridiano que passa por Paris já havia sido medido
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precisamente (medido através da Toesa, unidade de comprimento da época) e podia ser comparado com a nova determinação. Então, o metro foi assim definido:
“METRO É A DÉCIMA MILIONÉSIMA PARTE DE UM QUARTO DO MERIDIANO TERRESTRE“
Medido entre Dunkerke na França e Montguich na Espanha. Esse metro, transformado em uma barra de platina, passou a ser determinado como Metro dos Arquivos. Com o desenvolvimento da ciência, verificou-se que uma medida mais precisa do meridiano daria um metro um pouco diferente. Assim, a primeira definição foi substituída por uma segunda:
Escolheu-se a temperatura de zero grau Celsius por ser, na época, a mais facilmente obtida com o gelo fundente. Com o passar do tempo, com o aumento das exigências tecnológicas decorrentes do avanço científico, notou-se que o Metro dos Arquivos não mais satisfazia as necessidades, pois apresentava alguns inconvenientes como: o paralelismo das faces não era tão perfeito, o material era relativamente mole e a barra não era suficientemente rígida. Para aperfeiçoar o sistema, fez-se outro padrão, que recebeu seção transversal em X para ter maior estabilidade uma adição de 10% de irídio, para tornar-se mais durável e ainda dois traços em seu plano neutro, de forma a tornar a medida mais perfeita. Assim, em 1889, surgiu a terceira definição: “METRO É A DISTÂNCIA, À TEMPERATURA DE ZERO GRAU CELSIUS, DOS EIXOSDE DOIS TRAÇOS MÉDIOS GRAVADOS SOBRE A BARRA DE PLATINA IRIDIADA, ESTANDO SUBMETIDA À PRESSÃO ATMOSFÉRICA NORMAL E SUPORTADA POR DOISROLOS COM UM DIÂMETRO MÍNIMO DE 1 cm, SITUADOS SIMETRICAMENTE NUM MESMOPLANO HORIZONTAL E À DISTÂNCIA DE 571 mm UM DO OUTRO”
Atualmente, a temperatura de referência para calibração é de 20° C. É nessa temperatura que o metro, utilizado em laboratórios de metrologia tem o mesmo comprimento do padrão que se encontra na França, na temperatura de zero grau Celsius. Em outubro de 1960, na XI Conferência Geral de Pesos e Medidas, foi adotado e reconhecido o Sistema Internacional de Unidades (SI) e o metro, mais uma vez, acompanhando os avanços da ciência e da tecnologia, foi redefinido:
TRANSIÇÃO ENTRE OS NÍVEIS DE ENERGIA 2p^10 E 5d^5 DO ÁTOMO DE CRIPTÔNIO 86 (Kr 86) NO VÁCUO”.
Desta forma, conseguia-se uma reprodução do metro com um erro de ± 0,010 micrometro, 10 nm ou ainda 10 mm a cada 1000 km. Atualmente, o padrão do metro em vigor e que é o recomendado pelo INMETRO, é baseado na velocidade da luz, de acordo com a decisão da XVII Conferência Geral de Pesos e Medidas. Assim o INMETRO, em sua resolução 3/84, definiu o metro:
Esta definição é universal e se aplica a todos os tipos de medições, desde o lar até a astronomia. O metro, em si, não foi alterado, o que ocorreu foi mais uma impressionante melhoria na precisão de sua definição.
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Observações: 1 - Na forma oral, os nomes dos múltiplos e submúltiplos decimais das unidades são pronunciados por extenso, prevalecendo à sílaba tônica da unidade. 2 - As unidades assinaladas com ( * ) como, quilômetro, decímetro, centímetro e milímetro,consagradas pelo uso com o acento tônico deslocado para o prefixo, são as únicas exceções a essa regra; assim sendo, os outros múltiplos e submúltiplos decimais do metro devem ser pronunciados com o acento tônico na penúltima sílaba (me), por exemplo: megametro, micrometro(distinto de micrômetro, instrumento de medição), nanometro etc.
Para a realização de uma medição, é necessária a existência da unidade, estabelecida por um padrão, segundo uma convenção própria, regional, nacional ou internacional. Estabeleceu-se, em 1960, através do “Bureau Internacional de Pesos e Medidas” (BIPM), um conjunto coerente de unidades: o Sistema Internacional de Unidades (SI), que consta das unidades de base, unidades derivadas e unidades suplementares. O SI definiu sete grandezas físicas independentes e estabeleceu para cada grandeza um valor unitário realizado através de um padrão.
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Quando escritos por extenso, os nomes de unidades começam por letra minúscula, mesmo quando têm o nome de um cientista (por exemplo, Ampère, kelvin, Newton, etc.) exceto o grau Celsius. Na expressão do valor numérico de uma grandeza, a respectiva unidade pode ser escrita por extenso ou representada pelo seu símbolo (por exemplo, quilovolts por milímetro ou kV/mm), não sendo admitidas combinações de partes escritas por extenso com partes expressas por símbolo.
Quando os nomes de unidades são escritos ou pronunciados por extenso, a formação do plural obedece às seguintes regras básicas: a - os prefixos do SI são invariáveis; b - os nomes das unidades recebem a letra ¨s¨ no final de cada palavra, exceto nos casos da alínea ¨c¨,
A grafia dos símbolos de unidades obedece as seguintes regras básicas: a - os símbolos são invariáveis, não sendo admitido colocar, após os mesmos qualquer sinal, seja ponto de abreviatura, seja ¨s¨ de plural, sejam sinais, letras ou índices. Por exemplo, o símbolo do watt é sempre o W, qualquer que seja o tipo de potência a que se refira: mecânica, elétrica, térmica, acústica, etc.;
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b - os prefixos SI nunca são justapostos no mesmo símbolo. Por exemplo, unidades como GWh, nm, pF etc., não devem ser substituídas por expressões em que se justaponham, respectivamente,os prefixos mega e quilo, mili e micro, micro e micro etc., c) os prefixos do SI podem coexistir num símbolo composto por multiplicação ou divisão. Por exemplo, kN.cm, kW.mA, kV/mm, MW.cm, kV/ms, mW/cm2 etc.; d) os símbolos de uma mesma unidade podem coexistir num símbolo composto por divisão. Por exemplo, W.mm2/m, kWh/h, etc., e) o símbolo é escrito no mesmo alinhamento do número a que se refere, e não como expoente ou índice. São exceções os símbolos das unidades não SI de ângulo plano (0 „ “ ), os expoentes dos símbolos que têm expoente, o sinal do símbolo do grau Celsius e os símbolos que têm divisão indicada por traço de fração horizontal; f) o símbolo de uma unidade composta por multiplicação pode ser formado pela justaposição dos símbolos componentes de modo que não cause ambiguidade (VA, kWh etc.), ou mediante a colocação de um ponto entre os símbolos componentes, na base da linha ou a meia altura (N.m ou N⋅m, m.s ou m ⋅s etc.); g) o símbolo de uma unidade que contém divisão pode ser formado por qualquer uma das três maneiras exemplificadas a seguir:
Apesar de se chegar ao metro como unidade de medida, ainda são usadas outras unidades. Na mecânica, por exemplo, é comum usar o milímetro e a polegada. O sistema métrico, de fácil entendimento e aplicação por ser baseado no sistema decimal (múltiplos e submúltiplos de dez) é o sistema que é reconhecido pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) e que utiliza como unidade de base o metro. O sistema inglês ainda muito utilizado na Inglaterra e nos Estados Unidos, e também no Brasil, devido ao grande número de empresas procedentes desses países, é um sistema que está em extinção por não ser reconhecido pelo Sistema Internacional de Unidades. Por isso, este sistema está, aos poucos, sendo substituído pelo sistema métrico. Como os dois sistemas ainda são usados, as vezes até mesmo de forma simultânea, existe a necessidade da conversão dos sistemas, ora de sistema métrico para sistema inglês, ora de sistema inglês para sistema métrico.
O Sistema Métrico utiliza como padrão, o metro. Esse termo teve origem na palavra grega “ METRON ” que significa medir. No Brasil, o sistema métrico foi implantado pela Lei Imperial no 1.157, de 26 de junho de1862. Estabeleceu-se, então, um prazo de dez anos para que os padrões antigos fossem inteiramente substituídos. O metro a que se refere à Lei foi definido como sendo a distância entre os dois extremos da barra de platina depositada nos arquivos da França e apoiada nos pontos de flexão mínima na temperatura de zero grau Celsius.
9.2 SISTEMA INGLÊS
O Sistema Inglês tem como padrão a Jarda. Esse termo tem origem na palavra inglesa “yard“ que significa vara em referência ao uso de varas nas medições. Esse padrão foi criado por alfaiates ingleses.