A incerteza da medição em atividades do setor eletrotécnico
A incerteza padrão é o desvio padrão estimado; a incerteza padrão combinada é o resultado da combinação dos componentes da incerteza padrão; e a incerteza estendida é obtida pela multiplicação da incerteza padrão combinada por um fator de cobertura Da Redação Todas as medições são contaminadas por erros imperfeitamente conhecidos, de modo que a significância associada com o resultado de uma medição deve considerar esta incerteza, que é um parâmetro associado com o resultado de uma medição, que caracteriza a dispersão dos valores que podem razoavelmente ser atribuídos à quantidade medida. Há problemas associados com essa definição, pois pode-se perguntar o que é a dispersão se o valor verdadeiro não pode ser conhecido? Ela também implica que incerteza é somente relevante se várias medições são feitas e ela falha por não mencionar valor verdadeiro para invocar o conceito de rastreabilidade. Uma definição mais prática, mais usada porque satisfaz mais as necessidades da metrologia industrial e não é consistente com a anterior, é a seguinte: incerteza é o resultado da avaliação pretendida em caracterizando a faixa dentro da qual o valor verdadeiro de uma quantidade medida é estimado cair, geralmente com uma dada confiança. Assim, a incerteza padrão é o desvio padrão estimado; a incerteza padrão combinada é o resultado da combinação dos componentes da incerteza padrão; e a incerteza estendida é obtida pela multiplicação da incerteza padrão combinada por um fator de cobertura. Essa é uma exigência para todos os laboratórios credenciados de calibração, ou seja, que os resultados reportados em um certificado sejam acompanhados de uma declaração descrevendo a incerteza associada com estes resultados. É também exigência para os laboratórios de testes, sob as seguintes circunstâncias: onde isto é requerido pelo cliente; onde isto é requerido pela especificação do teste; e onde a incerteza é relevante para validar ou aplicar o resultado, por exemplo, onde a incerteza afeta a conformidade a uma especificação ou limite. Os laboratórios credenciados devem ter uma política definida cobrindo a provisão de estimativas das incertezas das calibrações ou testes feitos. O laboratório deve usar procedimentos documentados para a estimativa, tratamento e relatório da incerteza. Devem consultar seu corpo de credenciamento para qualquer orientação específica que possa estar disponível para a calibração ou teste. Dessa forma, o objetivo de uma medição é determinar o valor de uma quantidade específica sujeita à medida (mesurando). Para os laboratórios de calibração, isto pode ser qualquer parâmetro da medição dentro de campos reconhecidos da medição comprimento, massa, tempo, pressão, corrente elétrica. Quando aplicado a um teste, o termo genérico mesurando pode cobrir muitas quantidades diferentes, como a resistência de um material, a concentração de uma solução, o nível de emissão de ruído ou radiação eletromagnética, e a quantidade de microorganismos. Uma medição começa com uma especificação apropriada da quantidade medida, o método genérico de medição e o procedimento específico detalhado da medição. Nenhuma medição ou teste é perfeito e as imperfeições fazem aparecer erro de medição no resultado. Como
conseqüência, o resultado de uma medição é somente uma aproximação do valor da quantidade medida e é somente completa quando acompanhado por uma expressão da incerteza desta aproximação. Realmente, por causa da incerteza da medição, o valor verdadeiro nunca pode ser conhecido. No limite, por causa de alguns efeitos, ele pode mesmo não existir. A incerteza da medição compreende, em geral, muitos componentes. Alguns podem ser calculados da distribuição estatística dos resultados de uma série de medições e pode ser caracterizados por desvios padrão experimentais. Os outros componentes, que podem também ser caracterizados por desvios padrão, são calculados das distribuições de probabilidade assumidas baseadas na experiência ou em outra informação. Erros aleatórios aparecem das variações aleatórias das observações. A cada momento que a medição é tomada sob as mesmas condições, efeitos aleatórios de várias fontes afetam o valor medido. Uma série de medições produz um espalhamento em torno de um valor médio. Um número de fontes pode contribuir para a variabilidade cada vez que uma medição é tomada e sua influência pode estar continuamente mudando. Elas não podem ser eliminadas mas a incerteza devido a seus efeitos pode ser reduzida, aumentando o número de observações e aplicando análise estatística. Os erros sistemáticos aparecem de efeitos sistemáticos, ou seja, é um efeito no resultado de uma quantidade que não está incluído na especificação da quantiade medida mas que influencia no resultado. Estes erros permanecem constantes quando uma medição é repetida sob as mesmas condições por isso eles não revelados pelas medições repetidas. Seu efeito é introduzir um deslocamento entre o valor da medição e o valor médio determinado experimentalmente. Eles não podem ser eliminados mas podem ser reduzidos, por exemplo, fazendo correções para o tamanho conhecido de um erro devido a um efeito sistematico reconhecido. Internacionalmente, foi adotado o enfoque de agrupar os componentes da incerteza em duas categorias baseadas em seus métodos de avaliação: Tipo A e Tipo B. Esta classificação de métodos de avaliação, em vez dos componentes em si, evita certas ambiguidades. Por exemplo, um componente aleatório de incerteza em uma medição pode se tornar um componente sistemático em outra medição que tem como sua entrada o resultado da primeira medição. Assim, a incerteza total cotada em um certificado de calibração de um instrumento incluirá o componente devido aos efeitos aleatórios, mas quando este valor total é subsequentemente usado como a contribuição na avaliação da incerteza em um teste usando este instrumento, a contribuição deve ser tomada como sistemática. A avaliação do Tipo A é feita pelo cálculo de uma série de leituras repetidas, usando métodos estatísticos. A do Tipo B é feita por meios diferentes dos usados no método B. Por exemplo, por julgamento baseado em: dados de certificados de calibração, que possibilita correções a serem feitas e incertezas do Tipo B a serem atribuídas; dados de medições anteriores, por exemplo, gráficos históricos podem ser construídos e podem fornecer informação útil acerca das mudanças dinâmicas. experiência com ou o conhecimento geral do comportamento e propriedades de materiais e equipamentos iguais; valores aceitos de constantes associadas com materiais e quantidades; especificações dos fabricantes; todas as outras informações relevantes. As incertezas individuais são avaliadas pelo método apropriado e cada uma é
expressa como um desvio padrão e é referida a uma incerteza padrão. As incertezas padrão individuais são combinadas para produzir um valor total de incerteza, conhecido como incerteza padrão combinada. Uma incerteza expandida é usualmente requerida para satisfazer as necessidades da maioria das aplicações, especialmente onde se envolve segurança. É recomendado fornecer um intervalo maior acerca do resultado de uma medição quando a incerteza padrão com, consequentemente, uma maior probabilidade do que envolve o valor verdadeiro convencional da quantidade medida. Ela é obtida multiplicando-se a incerteza padrão combinada por um fator de cobertura, k. A escolha do fator é baseada no nível de confiança requerido. E quais as fontes da incerteza? Uma delas é a definição incompleta do teste a exigência pode não ser claramente descrita, como a temperatura de um teste pode ser dada como temperatura ambiente. Outra é a realização imperfeita do procedimento de teste, mesmo quando as condições de teste estão claramente definidas pode não ser possível produzir as condições teóricas, na prática, devido as imperfeições inevitáveis nos materiais ou sistemas usados. Também a amostragem a amostra pode não ser totalmente representativa. Em algumas disciplinas, como teste microbiológico, pode ser muito difícil obter uma amostra representativa. Outra fonte de erro é o conhecimento inadequado dos efeitos das condições ambientais no processo da medição ou medição imperfeita das condições ambientais. Uma fonte bastante usual é o erro pessoal de polarização na leitura de instrumentos analógicos, outra a resolução ou limite de discriminação do instrumento ou erros na graduação da escala. Também. Os valores atribuídos aos padrões da medição (de trabalho e de referência) e materiais de referência certificada. As alterações nas características ou desempenho de um instrumento de medição desde a sua última calibração. Os valores de constantes e outros parametros usadas na avaliação dos dados. Por fim, mais duas fontes: as aproximações e hipóteses incorporadas no método e procedimento da medição e as variações nas leituras repetidas feitas sob condições parecidas mas não idênticas tais como efeitos aleatórios podem ser causados, por exemplo, ruído elétrico em instrumentos de medição, flutuações rápidas no ambiente local, por exemplo, temperatura, umidade e pressão do ar, variabilidade no desempenho do operador que faz o teste. Essas fontes não são necessariamente independentes e, em adição, os efeitos sistemáticos não reconhecidos podem existir que não podem ser levados em conta mas contribuem para o erro. É por esta razão que os laboratórios credenciados encorajam e muitas vezes insistem em participação em comparações interlaboratoriais, auditorias de medição e cross checking interno de resultados por diferentes meios. Em consequência, a incerteza total de uma medição é uma combinação de um número de incertezas componentes. Mesmo uma única leitura do instrumento pode ser influenciada por vários fatores. A consideração cuidadosa de cada medição envolvida na calibração ou teste é necessária para identificar e listar todos os fatores que contribuem para a incerteza total. Este é um passo muito importante e requer um bom entendimento do equipamento de medição, os princípios e práticas da calibração ou teste e a influência do ambiente. O próximo passo é quantificar as incertezas componentes por meios apropriados. Uma quantificação aproximada inicial pode
ser valiosa em possibilitar que alguns componentes sejam reconhecidos como desprezíveis e não necessitam de uma avaliação mais rigorosa. Em muitos casos, uma definição prática de desprezível pode ser um componente que não é maior do que um quinto do tamanho do maior componente. Alguns componentes podem ser quantificados pelo cálculo do desvio padrão de um conjunto de medições repetidas (Tipo A). A quantificação de outros componentes pode requerer o julgamento, usando toda informação relevante na variabilidade possível de cada fator (Tipo B). A incerteza padrão é definida como um desvio padrão. O potencial para erros em um estágio posterior da avaliação pode ser minimizado expressando todas as incertezas componentes como um desvio padrão. Isto podoe requer ajuste de alguns valores da incerteza, de modo que os obtidos dos certificados de calibração e outras fontes, que muitas vezes tem sido expressos com um maior nível de confiança, envolvendo múltiplo do desvio padrão (2 ou 3). As incertezas componentes devem ser combinadas para produzir uma incerteza total usando o procedimento estabelecido em padrões internacionais. Em muitos casos, isto reduz a tomar a raiz quadrada da soma dos quadrados das incertezas padrão componentes (método da raiz da soma dos quadrados). Porém, alguns componentes podem ser interdependentes e podem, por exemplo, se cancelarem entre si ou se reforçarem entre si. Em muitos casos, isto pode ser facilmente visto e os componentes interdependentes podem ser somados algebricamente para dar um valor final. Porém, em casos mais complexos, podemse usar métodos matemáticos mais complexos para tais componentes correlatos, como derivadas parciais. Em muitos casos, é necessário cotar uma incerteza expandida e a incerteza padrão combinada, sendo portanto necessãria ser multiplicada por um fator de cobertura apropriado. Isto deve refletir o nível de confiança requerido e, em termos estritos, será ditado pelos detalhes da distribuição de probabilidade caracterizado pelo resultado da medição e sua incerteza padrão combinada. Porém, as computações extensivas requerida para combinar as distribuições de probabilidade são raramente justificadas pelo tamanho e confiabilidade da informação disponível. Em muitos casos, uma aproximação é aceitável, ou seja, a distribuição da probabilidade pode ser assumida como normal e que um valor de 2 para o fator de cobertura define um intervalo tendo um nível de confiança de aproximadamente 95%, ou, para aplicações mais críticas, que um valor de 3 define um intervalo tendo um nível de confiança de
aproximadamente 99%. As exceções a estes casos precisam ser tratados em uma base individual e devem ser caracterizados por um dos fatores relacionados a seguir ou ambos: a ausência de um número significativo de incertezas componentes tendo distribuições de probabilidade bem comportadas, tais como, normal ou retangular; a inclusão de uma incerteza componente dominante. Isto pode causar a incerteza expandida ser maior do se as contribuições individuais da incerteza fossem somadas aritmeticamente e é claramente uma situação pessimista. Deve também ser notado que se erros de incertezas do Tipo A em um sistema de medição são comparáveis aos do Tipo B, a incerteza expandida pode ser uma subestimativa, a não ser que um grande número de leituras repetidas tenha sido feito. Nessas circunstâncias, um fator de cobertura (kp) deve ser obtido de uma distribuição (t), baseada nos graus de liberdade efetivo (nef) da incerteza padrão combinada. No caso do setor eletrotécnico, a ABNT IEC GUIA 115 de 10/2015 - Aplicação da incerteza de medição nas atividades de avaliação da conformidade no setor eletrotécnico é um guia que apresenta uma abordagem prática da aplicação da incerteza de medição nas atividades de avaliação da conformidade no setor eletrotécnico. Ele é especificamente concebido para ser utilizado nos esquemas do sistema IECEE, bem como para os laboratórios que realizam os ensaios de produtos elétricos segundo as normas nacionais de segurança. A Seção 4 descreve a aplicação dos princípios da incerteza de medição. A Seção 5 fornece as diretrizes para a realização dos cálculos de incerteza de medição. O Anexo A apresenta alguns exemplos de cálculos de incerteza de medição para os ensaios de avaliação da conformidade de produtos. Este Guia foi elaborado pelo Comitê dos Laboratórios de Ensaio (Committee of Testing Laboratories [CTL]) do sistema IEC de Ensaios de Conformidade e de Certificação dos Equipamentos Elétricos (IECEE), a fim de fornecer as diretrizes para a aplicação prática dos requisitos que dizem respeito à incerteza de medição da NBR ISO IEC 17025 aos ensaios de segurança elétrica realizados no âmbito do CB Scheme (esquema dos organismos de certificação) do sistema IECEE. O esquema de certificação CB Scheme do sistema IECEE é um acordo internacional multilateral estabelecido entre mais de 40 países e cerca de 60 organismos nacionais de certificação, visando a aceitação dos relatórios de ensaios dos produtos elétricos que tenham sido submetidos a ensaios segundo as normas IEC. O objetivo do CTL é, entre outras tarefas, definir uma análise comum da metodologia de ensaio segundo as normas IEC, bem como assegurar e melhorar de maneira contínua a repetitividade e a reprodutibilidade dos resultados de ensaio entre os laboratórios membros. A abordagem prática da incerteza de medição descrita neste Guia foi adotada para ser utilizada no esquema de certificação CB Scheme do IECEE e é igual e largamente utilizada no mundo pelos laboratórios de ensaio para os ensaios dos produtos elétricos segundo as normas nacionais de segurança. Este Guia é de interesse específico dos seguintes Comitês Técnicos da IEC que podem, se necessário, decidir pela sua utilização: COMITÊ TÉCNICO 13: Medição da energia elétrica, controle das tarifas e da carga; COMITÊ TÉCNICO 17: Dispositivos de manobra e controle; COMITÊ TÉCNICO 18: Instalações elétricas dos navios e das unidades móveis e fixas no mar; COMITÊ TÉCNICO 20: Cabos elétricos;
COMITÊ TÉCNICO 21: Células secundárias e baterias; COMITÊ TÉCNICO 22: Sistemas e equipamentos eletrônicos de potência; COMITÊ TÉCNICO 23: Acessórios elétricos; COMITÊ TÉCNICO 32: Fusíveis; COMITÊ TÉCNICO 33: Capacitores de potência; COMITÊ TÉCNICO 34: Lâmpadas e equipamentos associados; COMITÊ TÉCNICO 35: Células primárias e baterias; COMITÊ TÉCNICO 38: Transformadores de medição; COMITÊ TÉCNICO 39: Tubos eletrônicos; COMITÊ TÉCNICO 40: Capacitores e resistores para equipamentos eletrônicos; COMITÊ TÉCNICO47 Dispositivos a semicondutores; COMITÊ TÉCNICO 59: Desempenho dos aparelhos eletrodomésticos; COMITÊ TÉCNICO 61: Segurança dos aparelhos eletrodomésticos e análogos; COMITÊ TÉCNICO 62: Equipamentos elétricos na prática médica; COMITÊ TÉCNICO 64: Instalações elétricas e proteção contra os choques elétricos; COMITÊ TÉCNICO 65: Medição e comando nos processos industriais; COMITÊ TÉCNICO 66: Segurança dos aparelhos de medição, de comando e de laboratório; COMITÊ TÉCNICO 76: Segurança das radiações ópticas e equipamentos a laser; COMITÊ TÉCNICO77 Compatibilidade eletromagnética; COMITÊ TÉCNICO 78: Trabalhos sob tensão; COMITÊ TÉCNICO80 Equipamentos e sistemas de navegação e de radiocomunicação marítimos; COMITÊ TÉCNICO 82: Sistemas de conversão fotovoltaicos de energia solar. A qualificação e a aceitação dos laboratórios de ensaio CB (CBTL), por exemplo, no sistema IECEE, é realizada de acordo com a NBR ISO/ IEC 17025, que afirma em 5.4.6.2: Os laboratórios de ensaio devem possuir e aplicar os procedimentos para a estimativa das incertezas de medição. Em alguns casos, a natureza do método de ensaio pode evitar um cálculo rigoroso do ponto de vista metrológico e estatístico da incerteza de medição. Nesses casos, o laboratório deve pelo menos tentar identificar todos os componentes de incerteza e fazer uma estimativa razoável, e deve garantir que a forma de relatar o resultado não dê uma impressão errada da incerteza. A estimativa razoável deve estar baseada no conhecimento do desempenho do método e no escopo da medição, e deve fazer uso, por exemplo, de experiência e dados de validação anteriores. NOTA 1 O grau de rigor necessário para uma estimativa da incerteza de medição depende de fatores como: os requisitos do método de ensaio; os requisitos do cliente; a existência de limites estreitos nos quais são baseadas as decisões sobre a conformidade a uma especificação. NOTA 2 Nos casos em que um método de ensaio bem reconhecido especifica limites para os valores das principais fontes de incerteza de medição e especifica a forma de apresentação dos resultados calculados, considera-se que o laboratório tenha satisfeito esta seção ao seguir as instruções do método de ensaio e de relato (ver 5.10). A NBR ISO/IEC 17025, item c), especifica: A subseção 5.10.3.1 inclui o seguinte: c) onde aplicável, uma declaração sobre a incerteza estimada de medição; a informação sobre a incerteza nos relatórios de ensaio é necessária quando ela for relevante para a validade ou aplicação dos resultados do ensaio, quando requerida na instrução do cliente ou quando a incerteza afetar a conformidade com um limite
de especificação. A NBR ISO/IEC 17025 foi escrita como um documento de uso geral, para todas as indústrias. Os princípios da incerteza de medição são aplicados aos ensaios de laboratório e à apresentação dos resultados dos ensaios para assegurar um grau de certeza de que as decisões tomadas sobre a conformidade dos produtos ensaiados de acordo com os requisitos relevantes são válidas. Os procedimentos e as técnicas para os cálculos da incerteza de medição estão bem estabelecidos. Este procedimento dos laboratórios de ensaios CB (CBTL) é destinado a fornecer as orientações mais específicas sobre a aplicação dos princípios da incerteza de medição aos registros dos resultados de ensaios sob o esquema de certificação CB Scheme. Esta seção do procedimento CBTL é focada na aplicação dos princípios de incerteza de medição no âmbito do CB Scheme, enquanto que, a Seção 5 do procedimento CBTL fornece as diretrizes para a realização dos cálculos da incerteza de medição e inclui exemplos. Um dos desafios para a aplicação dos princípios da incerteza de medição nas atividades de avaliação da conformidade é a gestão dos aspectos de custo, tempo e aspectos práticos para a determinação das relações entre diferentes fontes de incerteza. Certas relações são desconhecidas ou exigiriam um esforço considerável de tempo e custo para serem estabelecidas. Há uma série de técnicas comprovadas disponíveis para enfrentar este desafio. Estas técnicas proporcionam eliminar a consideração destas fontes de variabilidade, que têm pequena influência sobre o resultado, e minimizar importantes fontes de variabilidade de controle. Os métodos de ensaio utilizados no âmbito do esquema de certificação CB Scheme do IECEE são, na essência, normas de consenso.
Os critérios utilizados para determinar a conformidade com os requisitos são baseados na maioria das vezes no consenso de julgamento que os limites devem ser aqueles dos resultados dos ensaios. Exceder o limite por uma pequena quantidade não resulta em um perigo iminente. Os métodos de ensaio utilizados podem incluir uma indicação de precisão, expressando a margem de incerteza admissível prevista para ser alcançada quando o método é usado. Historicamente, os laboratórios de ensaios têm utilizado equipamentos que respeitam o estado da arte e não levam em consideração a incerteza de medição em suas comparações de resultados com os valores-limite. As normas de segurança foram desenvolvidas neste ambiente e os limites das normas refletem esta prática. Os parâmetros de ensaio que influenciam os resultados dos ensaios podem ser numerosos. As variações nominais de certos parâmetros de ensaio têm pouco efeito na incerteza do resultado da medição. As variações em outros parâmetros podem ter um efeito. No entanto, o grau de influência pode ser minimizado pela limitação da variabilidade do parâmetro quando da realização do ensaio. Uma forma frequente de contabilização dos efeitos dos parâmetros de ensaio sobre os resultados de ensaios consiste em definir os limites aceitáveis da variabilidade dos parâmetros de ensaio. Quando isto é feito, qualquer variação dos resultados de medição obtidos devido a alterações nos parâmetros controlados não é considerada significativa, se os parâmetros forem controlados dentro dos respectivos limites. Exemplos de aplicação desta técnica exigem: fonte de alimentação de entrada mantida com: tensão em ± 2 %, frequência em ± 0,5
%, distorção harmônica total máxima em 3 %; temperatura ambiente: 23 C ± 2 C; umidade relativa: 93 % ± 2 % (U.R.); pessoal: requisitos de competência técnica documentadas para o ensaio; procedimentos: procedimentos laboratoriais documentados; precisão do equipamento: instrumentação com exatidão de acordo com a decisão CTL 251A. Os limites aceitáveis são apresentados como exemplos e não representam, necessariamente, os limites reais estabelecidos. O resultado final do controle das fontes de variabilidade dentro dos limites prescritos é que o resultado da medição pode ser utilizado como a melhor estimativa do mensurando. De fato, a incerteza de medição sobre o resultado medido é insignificante em relação à decisão final de aceitação ou de reprovação. Quando a realização de um ensaio requer a medição de uma variável, existe uma incerteza associada com o resultado do ensaio obtido. O procedimento 1 (ver Figura 1) é utilizado quando o cálculo da incerteza de medição é exigido pela NBR ISO/ IEC 17025, 5.4.6.2 e 5.10.3.1, alínea c). Calcular a incerteza de medição (Diretrizes para a realização dos cálculos de incerteza de medição, com exemplos de cálculos - ver Seção 5) e comparar o resultado medido com a faixa de incerteza a um limite aceitável definido. A medição está conforme com os requisitos se a probabilidade de que ela esteja dentro dos limites for de pelo menos 50 %.O procedimento 2 (ver Figura 2) é utilizado quando a NBR ISO/IEC 17025, 5.4.6.2, Nota 2, é aplicável. O procedimento 2 é o método tradicionalmente utilizado no esquema de certificação CB Scheme e é designado pelo termo método de exatidão. O ensaio realizado é um ensaio de rotina. As fontes de incerteza são minimizadas, de maneira que não seja necessário calcular a incerteza de medição para determinar a conformidade com o limite. A variabilidade dos parâmetros do ensaio está dentro dos limites aceitáveis. Os parâmetros de ensaio, como tensão da fonte de alimentação, temperatura ambiente e umidade, são mantidos dentro dos limites aceitáveis definidos para o ensaio. O treinamento do pessoal e os procedimentos de laboratório reduzem a incerteza de medição devido aos fatores humanos. A instrumentação utilizada tem incertezas ou exatidão dentro de limites preestabelecidos. O nome método de exatidão vem do conceito de limitar a incerteza devido à instrumentação na utilização de instrumentos de precisão dentro de limites de exatidão prescritos. Para este propósito, a especificação da exatidão de um instrumento é considerada a incerteza máxima atribuível ao instrumento. Enfim, a abordagem tradicional da incerteza de medição para as atividades de avaliação da conformidade no âmbito do esquema de certificação CB Scheme é a aplicação do método de exatidão. Este método reduz as fontes de incerteza associadas ao desempenho dos ensaios de rotina, para que o resultado da medição possa ser diretamente comparado com o limite do ensaio, para determinar a conformidade com os requisitos. Este método está em conformidade com os requisitos da NBR ISO/IEC 17025. O método de exatidão requer menos tempo e um custo inferior àquele da incerteza detalhada dos cálculos de medição, e as conclusões obtidas são válidas para decisão final de aprovação ou reprovação. Nas situações onde o método tradicional de exatidão não é aplicável, a incerteza dos valores de medição é calculada e registrada com os resultados das variáveis obtidas durante o ensaio.