O estado da arte da calibração de um instrumento analógico

Elcio Cruz de Oliveira

Os sistemas de medição normalmente incluem dispositivos para compensação automática das variações de pressão estática. Estes instrumentos devem ser calibrados, devendo a exatidão das medições estar dentro dos limites para se atingir uma incerteza, no resultado da medição, menor que a especificada para esta aplicação.

De maneira simplificada, o Inmetro [1] recomenda que a calibração de medidores analógicos de pressão com sensor de elemento elástico seja efetuada com aplicação crescente (carregamento) de pressão ou vácuo, nos pontos específicos, até que o instrumento a ser calibrado indique esses valores. Em seguida, os valores correspondentes do padrão são registrados. Em um segundo momento, se deve aliviar continuamente (descarregamento) a pressão ou vácuo, registrando os valores de indicação nos mesmos pontos definidos no carregamento.

Entretanto, outros métodos diferentes do recomendado neste documento [1] podem ser utilizados pelo laboratório, desde que apropriadamente validados, conforme requerido na NBR ISO/IEC 17025 [2]. Dentro deste contexto, observa-se que vários laboratórios realizam calibrações internas fixando o valor do instrumento padrão e fazendo leituras no objeto, a ser calibrado. O objetivo deste trabalho é avaliar o impacto metrológico desta prática em detrimento à calibração conforme a orientação do Inmetro.

Calibração [3] “é a operação que estabelece, sob condições especificadas, numa primeira etapa, uma relação entre os valores e as incertezas de medição fornecidos por padrões, e as indicações correspondentes com as incertezas associadas; numa segunda etapa, utiliza esta informação para estabelecer uma relação, visando a obtenção de um resultado de medição a partir de uma indicação”. A recomendação do Inmetro deixa abertura quanto a qual instrumento deve ser fixado e onde a leitura deve ser feita. Além do mais, em se tratando de instrumentos analógicos, outra fonte de dúvidas é a leitura da escala do medidor.

Escala [3] de um instrumento de medição mostrador “é parte de um instrumento de medição mostrador que consiste num conjunto ordenado de marcas, eventualmente associadas a números ou a valores de grandezas”. A resolução da escala do manômetro em calibração a ser considerada no cálculo de incerteza pode ser preferencialmente escolhida igual a 1, 1/2, 1/5 ou 1/10 do valor de uma divisão da escala [4], a depender da habilidade do operador. Resolução [3] de um dispositivo mostrador “é a menor diferença entre indicações mostradas que pode ser significativamente percebida”.

A incerteza de medição das calibrações é calculada, a partir do GUM [5]. As principais fontes de incerteza levadas em consideração, neste trabalho, são: incerteza do padrão, resolução, repetibilidade, histerese, ajuste da curva e erro sistemático remanescente ou residual.

A incerteza do padrão é obtida pela relação entre a incerteza expandida proveniente do certificado de calibração e o fator de abrangência. A incerteza da resolução é a relação entre a menor divisão da escala e , onde R é a quantidade de vezes que o operador consegue dividir esta menor divisão da escala. A incerteza proveniente da repetibilidade é o próprio desvio padrão das leituras. A incerteza proveniente da histerese é a maior diferença entre um ciclo ascendente e descendente dividida por . A incerteza padrão do ajuste da curva é dada pelo desvio padrão da regressão.

Como estas fontes de incerteza estão na mesma unidade, a incerteza padrão combinada é calculada pela raiz quadrada da soma dos quadrados destes valores. A incerteza expandida é o produto entre esta incerteza padrão combinada e o fator de abrangência, para um nível de confiança de 95%.

A incerteza final da calibração é uma soma linear em módulo entre a incerteza expandida e o erro sistemático remanescente ou residual. Existe um limite abaixo do qual não é possível reduzir o erro sistemático de uma medição. Um destes erros é o de calibração, diretamente associado ao instrumento com o qual se faz a medição. Este tipo de erro é também chamado erro sistemático residual. Geralmente, o erro de calibração (residual) vem indicado no instrumento ou manual, pelo fabricante; é o limite dentro do qual o fabricante garante os erros do instrumento.

Estudo de caso

O objeto, manômetro classe A1, fabricante FAMABRAS, escala de 0 a 42 kgf/cm2, Figura 1, foi calibrado contra um padrão calibrador de pressão, modelo PC-507, fabricante PRESYS, Figura 2. A calibração foi efetuada em 0, 25, 50, 75 e 100% da escala, com quatro leituras em cada ponto, sendo duas ascendentes e duas descendentes.

metrologia1

Figura 1. Manômetro a ser calibrado

metrologia2

Figura 2. Instrumento padrão

Dois procedimentos de calibração foram realizados, que geraram três resultados distintos. O primeiro procedimento foi realizado segundo a recomendação do Inmetro: fixar a leitura no objeto a ser calibrado e fazer leituras no padrão.

O segundo procedimento foi realizado, fixando a leitura no padrão e fazendo leituras no objetivo a ser calibrado. Nesta abordagem, dois diferentes operadores realizaram a atividade, concomitantemente. O primeiro operador fez leituras mais conservadoras, considerando a resolução de 0,5 kgf/cm2 (igual a divisão da escala) e o segundo tomou a postura de um operador mais experiente, considerando a resolução como 0,125 kgf/cm2 (1/4 da divisão da escala). Os resultados das três abordagens da calibração são apresentados na Tabela 1.

CLIQUE NA FIGURA PARA UMA MELHOR VISUALIZAÇÃO

figura 1_metrologia

Os valores em negrito são as contribuições de incerteza mais relevantes, para cada abordagem e suas respectivas porcentagens entre parênteses em relação à incerteza padrão combinada. A repetibilidade é uma fonte de incerteza muito relevante, nas três abordagens.

Na abordagem em que a leitura é feita no instrumento a ser calibrado, sem aumentar a resolução da escala, esta contribuição é tão significativa quanto à repetibilidade. Os valores destacados (3,5; 3,0 e 2,6) se referem à relação entre a incerteza expandida e o erro sistemático remanescente e demostram que esta diminui, quando a leitura é realizada no instrumento padrão.

Enfim, a análise crítica da calibração de um manômetro analógico mostrou a importância de se seguir à orientação normativa em se fazer leituras no instrumento padrão; entretanto, caso sejam feitas leituras no instrumento a se calibrar, este trabalho recomenda que se aumente a resolução do dispositivo mostrador, a fim se de alcançar resultados metrologicamente compatíveis. Estudos futuros serão realizados com outros instrumentos analógicos, variando a resolução de leitura, a fim de se observar se existe uma relação de compatibilidade entre esta prática e a recomendada pelas normas; ou seja, leitura no instrumento padrão.

Agradecimentos

Aos Técnicos de Manutenção do Terminal de Cabiúnas, PETROBRAS TRANSPORTE S.A. – TRANSPETRO, onde a parte experimental deste trabalho foi executada, especialmente à Iziana Dutra Souza, Júlio César Santos Rodrigues, Cláudio Francisco Mota e Alexander Sardemberg da Silva.

Referências

[1] Orientação para realização de calibração de medidores analógicos de pressão. DOQ-CGCRE-017, Revisão 03 – dez/2013.

[2] Requisitos gerais para a competência de laboratórios de ensaio e calibração (2005). Segunda edição. NBR ISO/IEC 17025.

[3] Vocabulário Internacional de Metrologia – Conceitos fundamentais e gerais e termos associados (VIM 2012) – Rio de Janeiro: ABNT, Inmetro.

[4] Medidores de pressão Parte 1: Medidores analógicos de pressão com sensor de elemento elástico — Requisitos de fabricação, classificação, ensaios e utilização (2013). NBR 14105-1.

[5] Guia Para a Expressão da Incerteza de Medição (2003). Terceira edição brasileira em língua portuguesa – Rio de Janeiro: ABNT, Inmetro, SBM.

Elcio Cruz de Oliveira é doutor em ciências, mestre em Metrologia e licenciado em química e consultor da Petrobras Transpetro S.A  – elciooliveira@petrobras.com.br

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