TMEC018 Metrologia e Instrumentação Prof. Alessandro Marques (amarques@ufpr.br) www.metrologia.ufpr.br
Conceitos Iniciais Metrologia é a ciência da medição e suas aplicações. A metrologia engloba todos os aspectos teóricos e práticos de medição, qualquer que seja a incerteza de medição e o campo de aplicação.
A metrologia desempenha um papel fundamental na manutenção de uma sociedade justa, eficiente e tecnológica. Para desenvolver novos produtos, serviços e processos, as empresas precisam medir quantidade, qualidade e desempenho. Para operar com sucesso, as empresas utilizam um marco regulatório, baseado na confiança de medição, assegurando o acesso a mercados globais.
Medições no dia-a-dia Potência da lâmpada Horário do despertador Comprimento da calça Tempo de cozimento Volume de leite Volume de combustível Temperatura da geladeira Velocidade do automóvel Pressão dos pneus Consumo de energia Dimensões das peças Rotação do motor Tamanho do peixe Quantidade de arroz
Messen ist Wissen (medir é saber) Georg Simon Ohm (1789-1854)
1) Exemplo de medição Mensurando (2.3) VIM 2012 Vocabulário Internacional de Metrologia - Conceitos fundamentais e gerais e termos associados Indicação (4.1) 2,4 unidades (1.9) unidade 0 1 2 3 4 instrumento de medição (3.1)
2) Exemplo de medição tensão do gerador: 5,305 V constante do sistema de medição: 15,080 (km/h)/v velocidade: 5,305 V. 15,080 (km/h)/v = 80,0 km/h
O que é medir? Medir é o procedimento experimental através do qual o valor momentâneo de uma grandeza física (mensurando) é determinado como um múltiplo e/ou uma fração de uma unidade, estabelecida por um padrão, e reconhecida internacionalmente.
Definições segundo o VIM 2012 Mensurando: grandeza que se pretende medir. Indicação: valor fornecido por um instrumento de medição ou por um sistema de medição. Indicação direta é o número mostrado pelo sistema de medição. A indicação direta pode ou não ser apresentada na unidade do mensurando.
mensurando tensão do gerador: 5,305 V indicação direta constante do sistema de medição: 15,080 (km/h)/v velocidade: 5,305 V. 15,080 (km/h)/v = 80,0 km/h indicação
Medir para que? Monitorar Observar passivamente grandezas Controlar Observar, comparar e agir para manter dentro das especificações. Investigar Descobrir o novo, explicar, formular.
Medir para monitorar... Compra e venda de produtos e serviços: consumo de água, energia elétrica, taxímetro, combustíveis, etc. Sinais vitais: pressão arterial, temperatura, nível de colesterol Atividades desportivas: desempenho, recordes
Medir para monitorar...
Medir para controlar... Especificações xxxx ± xx yyyy ± yy zzz ± z Medir Comparar Agir
Medir para controlar...
Medir para controlar... pressão rota altitude temperatura velocidade Metrologia (slide 16)
Medir para controlar... A automação depende de instrumentos de medida para modificar as variáveis do processo. Quanto mais precisos e rápidos forem os resultados das medidas, mais precisos poderão ser os ajustes feitos pelo controlador do processo. Atualmente com a utilização dos computadores pode-se controlar uma planta inteira de um determinado processo com poucas pessoas e obter altos níveis de eficiência e baixo custo.
Medir para investigar... Metrologia (slide 18)
Medir para investigar... Pequenas diferenças nas medidas podem levar a conclusões completamente diferentes.
Medir para investigar... Compreender Descobertas científicas, estudar fenômenos Dominar Validar, know-how Evoluir Melhorar continuamente, expandir limites Inovar
Elementos da inovação tecnológica Idéia invento oportunidade pesquisa aplicada CQ patenteamento ensaios desenvolvimento certificação prototipagem design marketing produção Produto Serviço Inovador processos fabricação plano produção Onde tem metrologia?
mensurando Errar é inevitável Medições geram erros má definição do mensurando imperfeições do sistema de medição condições ambientais Sistema de medição procedimento de medição indicação ± ERROS influência do operador
Processo de medição Diagrama de Ishikawa "Diagrama de Causa e Efeito" ou "Espinha-de-peixe" definição do mensurando procedimento de medição resultado da medição condições ambientais operador sistema de medição
mensurando Resultado da medição Sistema de medição indicação - U RB + U VV
Resultado da medição É a faixa de valores dentro da qual deve se situar o valor verdadeiro do mensurando. RM = (RB ± U) unidade Resultado base é a estimativa do valor do mensurando que, acredita-se, mais se aproxime do seu valor verdadeiro. Incerteza da medição (U) é o tamanho da faixa simétrica, e centrada em torno do resultado base, que delimita a faixa onde se situam as dúvidas associadas à medição.
A linguagem da metrologia Até 1995: Torre de Babel Em 10 de Março de 1995: Portaria INMETRO n 029 Vocabulário de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia (VIM) Em sintonia com: ISO, BIPM, IEC, IFCC, IUPAC, IUPAP
Um pouco de história... O desenvolvimento da linguagem... A necessidade de contar... Só os números não bastam... Unidades baseadas na anatomia...
O cúbito do Faraó Ramsés II, o cúbito real
O pé médio da idade média
Por que um único sistema de unidades?
Importância do SI Clareza de entendimentos internacionais (técnica, científica)... Transações comerciais... Garantia de coerência ao longo dos anos... Coerência entre unidades simplificam equações da física...
A maioria dos países no mundo usam o sistema métrico de medidas, no entanto, os EUA, a Birmânia, e a Libéria são únicos que ainda usam o sistema imperial. Assista: Are Imperial Measurements outdated? https://www.youtube.com/watch?v=r7x-rgfd0yk
As sete unidades de base do SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) http://www.inmetro.gov.br/inovacao/publicacoes/si_versao_final.pdf
As sete unidades de base Grandeza unidade símbolo Comprimento metro m Massa quilograma kg Tempo segundo s Corrente elétrica ampere A Temperatura kelvin K Intensidade luminosa candela cd Quantidade de matéria mol mol
O metro 1793: décima milionésima parte do quadrante do meridiano terrestre 1889: padrão de traços em barra de platina iridiada depositada no BIPM 1960: comprimento de onda da raia alaranjada do criptônio 1983: definição atual
O metro (m) É o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo, durante um intervalo de tempo de 1/299 792 458 de segundo Observações: assume valor exato para a velocidade da luz no vácuo depende da definição do segundo incerteza atual de reprodução: 10-12 m
Comparações... Se o mundo fosse ampliado de forma que 10-12 m se tornasse 1 mm: um glóbulo vermelho teria cerca de 700 m de diâmetro. o diâmetro de um fio de cabelo seria da ordem de 50 km. A espessura de uma folha de papel seria algo entre 100 e 140 km. Um fio de barba cresceria 2,0 m/s.
O segundo (s) é a duração de 9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de Césio 133. Observações: Incerteza atual de reprodução: 10-15 s
Comparações... Se a velocidade com que o tempo passa pudesse ser desacelerada de tal forma que 10-15 s se tornasse 1 s: um avião a jato levaria pouco mais de 120 anos para percorrer 1 mm.
Comparações... Se a velocidade com que o tempo passa pudesse ser desacelerada de tal forma que 10-15 s se tornasse 1 s: o tempo em que uma lâmpada de flash ficaria acesa seria da ordem de 30 anos.
Comparações... Se a velocidade com que o tempo passa pudesse ser desacelerada de tal forma que 10-15 s se tornasse 1 s: uma turbina de dentista levaria cerca de 200 anos para completar apenas uma rotação.
Comparações... Se a velocidade com que o tempo passa pudesse ser desacelerada de tal forma que 10-15 s se tornasse 1 s: um ser humano levaria cerca de 600 séculos para piscar o olho.
O quilograma (kg) Lavousier definiu em 1793 a unidade básica de massa, como sendo o peso de 1 decímetro cúbico de água a temperatura de fusão do gelo. Em 1799 foi definido como a massa de 1 litro de água a 4 o C, que é quando essa se encontra mais densa.
O quilograma (kg) Em 1799 foi definido como a massa de 1 litro de água a 4 graus Celsius, que é quando essa se encontra mais densa. A partir dessa definição foi criado um cilindro de platina pura e foi batizado como o Quilograma dos arquivos Metrologia (slide 46)
O quilograma (kg) Em 1889 foi atualizado para um cilindro de platina e irídio. Desde então essa é a definição do quilograma e é chamado de IPK (International Prototype Kilogram) Le Grand K Big K Metrologia (slide 47)
BIPM 6 cópias Metrologia (slide 48)
O quilograma (kg) 40 cópias
O quilograma (kg)
O quilograma (kg) Das 7 unidades básicas, 4 delas depende do quilograma. mol, candela, ampere e o quilograma. E as derivações como: Newton, joule, volt e Watt
Nova definição da Massa Seria necessário recalibrar a Constante de Avogrado
Esfera de 1 kg de silício : 2,25 x 10 25 átomos Só a matéria prima custou 1 milhão de euros!!! E é considerado o objeto mais redondo do mundo. 1 isótopo de Silício 28 Será calculado o numero de átomos existente. Sendo de silício não há vazios nem deformações
Nova definição da Massa Poderá se dizer que 1kg é igual a massa de 2,25 x 10 25 átomos de Silício 28
Nova definição da Massa: outra abordagem Recalibrar a Constante de Planck Utilizando a Balança de Watt
http://www.bipm.org/en/scientific/elec/watt_balance/wb_bipm.html
Nova definição da Massa São frentes complementares, uma pode validar a outra. E se forem capazes de registros em uma margem de erro abaixo de 20 microgramas Elas podem redefinir o quilograma em 2018. ASSISTA!! http://www.youtube.com/watch?v=zmbyi4s-d-y World's Roundest Object!
O quilograma (kg) Hoje, o quilograma é igual à massa do protótipo internacional do quilograma. incerteza atual de reprodução: 2. 10-9 g busca-se uma melhor definição... Metrologia (slide 58)
Comparações... Se as massas das coisas que nos cercam pudessem ser intensificadas de forma que 2. 10-9 g se tornasse 1 g: um mosquito 1,5 kg
Comparações... Se as massas das coisas que nos cercam pudessem ser intensificadas de forma que 2. 10-9 g se tornasse 1 g: uma moeda de R$ 0,01 teria 8 t
Comparações... Se as massas das coisas que nos cercam pudessem ser intensificadas de forma que 2. 10-9 g se tornasse 1 g: a quantidade de álcool em um drinque seria de 24 t
O ampère (A) é a intensidade de uma corrente elétrica constante que, mantida em dois condutores paralelos, retilíneos, de comprimento infinito, de seção circular desprezível, e situados à distância de 1 metro entre si, no vácuo, produz entre estes condutores uma força igual a 2.10-7 newton por metro de comprimento. incerteza atual de reprodução: 9.10-8 A
O kelvin (K) O kelvin, unidade de temperatura termodinâmica, é a fração 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto tríplice da água. incerteza atual de reprodução: 3. 10-1 K
A candela (cd) é a intensidade luminosa, numa dada direção, de uma fonte que emite uma radiação monocromática de freqüência 540. 10 12 hertz e cuja intensidade energética nesta direção é de 1/683 watt por esterradiano. incerteza atual de reprodução: 10-4 cd
O mol (mol) é a quantidade de matéria de um sistema contendo tantas entidades elementares quantos átomos existem em 0,012 quilograma de carbono 12. incerteza atual de reprodução: 2. 10-9 mol
As unidades derivadas
Unidades derivadas Grandeza derivada Unidade derivada Símbolo área volume velocidade aceleração velocidade angular aceleração angular massa específica intensidade de campo magnético densidade de corrente concentração de substância luminância metro quadrado metro cúbico metro por segundo metro por segundo ao quadrado radiano por segundo radiano por segundo ao quadrado quilogramas por metro cúbico ampère por metro ampère por metro cúbico mol por metro cúbico candela por metro quadrado m 2 m 3 m/s m/s 2 rad/s rad/s 2 kg/m 3 A/m A/m 3 mol/m 3 cd/m 2
Grandeza derivada Unidade derivada Símbolo Em unidades do SI Em termos das unidades base freqüência força pressão, tensão energia, trabalho, quantidade de calor potência e fluxo radiante carga elétrica, quantidade de eletricidade diferença de potencial elétrico, tensão elétrica, força eletromotiva capacitância elétrica resistência elétrica condutância elétrica fluxo magnético indução magnética, densidade de fluxo magnético indutância fluxo luminoso iluminamento ou aclaramento atividade (de radionuclídeo) dose absorvida, energia específica dose equivalente hertz newton pascal joule watt coulomb volt farad ohm siemens weber tesla henry lumen lux becquerel gray siervet Hz N Pa J W C V F S Wb T H lm lx Bq Gy Sv N/m 2 N. m J/s W/A C/V V/A A/V V. S Wb/m 2 Wb/A cd/sr lm/m 2 J/kg J/kg s -1 m. kg. s -2 m -1. kg. s -2 m 2. kg. s -2 m 2. kg. s -3 s. A m 2. kg. s -3. A -1 m -2. kg -1. s 4. A 2 m 2. kg. s -3. A -2 m -2. kg -1. s 3. A 2 m 2. kg. s -2. A -1 kg. s -2. A -1 m 2. kg. s -2. A -2 cd cd. m -2 s -1 m 2. s -2 m 2. s -2
Múltiplos e submúltiplos
Múltiplos e submúltiplos Fator Nome do prefixo Símbolo Fator Nome do prefixo Símbolo 10 24 10 21 10 18 10 15 10 12 10 9 10 6 10 3 10 2 10 1 yotta zetta exa peta tera giga mega quilo hecto deca Y Z E P T G M k h da 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24 deci centi mili micro nano pico femto atto zepto yocto d c m n p f a z y
Unidades em uso e unidades aceitas em áreas específicas
Unidades em uso com o SI Grandeza Unidade Símbolo Valor nas unidades do SI tempo minuto min 1 min = 60 s hora h 1 h = 60 min = 3600 s dia d 1 d = 24 h ângulo grau 1 = ( /180) minuto ' 1' = (1/60) = ( /10 800) rad segundo " 1" = (1/60)' = ( /648 000) rad volume litro l, L 1 L = 1 dm 3 = 10-3 m 3 massa tonelada t 1 t = 10 3 kg pressão bar bar 1 bar = 10 5 Pa temperatura grau Celsius C C = K - 273,16
Unidades temporariamente em uso Grandeza Unidade Símbolo Valor nas unidades do SI comprimento velocidade massa densidade linear tensão de sistema óptico pressão no corpo humano área área comprimento seção transversal milha náutica nó carat tex dioptre milímetros de mercúrio are hectare ângstrom barn tex mmhg a há Å b 1 milha náutica = 1852 m 1 nó = 1 milha náutica por hora = (1852/3600) m/s 1 carat = 2. 10-4 kg = 200 mg 1 tex = 10-6 kg/m = 1 mg/m 1 dioptre = 1 m -1 1 mm Hg = 133 322 Pa 1 a = 100 m 2 1 ha = 10 4 m 2 1 Å = 0,1 nm = 10-10 m 1 b = 10-28 m 2
Honestidade Conhecimento Bom-senso Pilares da Metrologia
BIBLIOGRAFIA Albertazzi, A., Souza, A. R. Fundamentos Metrologia Cientifica e industrial. 407p., Editora Manole, 2008. Vocabulário Internacional de Metrologia: Conceitos fundamentais e gerais e termos associados (VIM 2012). Duque de Caxias, RJ : INMETRO, 2012. 81p. http://www.inmetro.gov.br/inovacao/publicacoes/vim_2012.pdf Sistema Internacional de Unidades : SI. Duque de Caxias, RJ: INMETRO/CICMA/SEPIN, 2012. 114p. http://www.inmetro.gov.br/inovacao/publicacoes/si_versao_final.pdf