Artigo de especialista

Compreendendo o desempenho e as especificações de medição

Jarkko Ruonala
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Jarkko Ruonala

Gerente de Produto

Vaisala

Fabricação Industrial e Processos
Medições industriais

A qualidade de um dispositivo de medição costuma ser avaliada por meio de uma pergunta simples: até que ponto a medição é exata? Embora essa pergunta pareça bastante simples, a resposta talvez nem sempre seja. Escolher o instrumento de medição mais adequado requer a compreensão dos fatores que contribuem para a incerteza de uma medição. Por sua vez, isso leva à compreensão do que está dito das especificações – e o que não está.

O desempenho de uma medição é definido por sua dinâmica (faixa de medição, tempo de resposta), precisão (repetibilidade, exatidão e sensibilidade) e estabilidade (tolerância para ambientes adversos e que causam envelhecimento). Desses itens, a precisão costuma ser considerada a qualidade mais importante, além de ser uma das mais difíceis de se especificar.

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Sensibilidade e precisão

A relação entre a mudança na saída da medição e a mudança no valor de referência é chamada de sensibilidade. Em condições ideais, essa relação é perfeitamente linear. No entanto, na prática, todas as medições envolvem algumas imperfeições ou incertezas.

Figura 1: Repetibilidade

Figura 2: Função de transferência

Figura 1: O consenso entre o valor medido e o valor de referência costuma ser chamado simplesmente de "precisão". Entretanto, mais uma vez, esse termo é um pouco vago. A precisão especificada costuma incluir a repetibilidade, que é a capacidade do instrumento de fornecer um resultado semelhante quando a medição é repetida em condições constantes. (Figura 1) No entanto, ela pode ou não incluir histerese, dependência de temperatura, não linearidade e estabilidade a longo prazo. A repetibilidade por si só é muitas vezes uma fonte menor de incerteza de medição, e se a especificação da precisão não inclui outras incertezas, pode dar a impressão errada do real desempenho da medição.

Figura 2: A relação entre os valores de medição e uma referência conhecida é muitas vezes referida como a função de transferência. (Figura 2) Quando uma medição é ajustada, essa relação é ajustada em relação a uma referência de calibração conhecida. Idealmente, a função de transferência é perfeitamente linear em toda a faixa de medição, mas, na prática, a maioria das medições envolve alguma mudança na sensibilidade, dependendo da magnitude do item a ser medido. 

Figura 3: Não linearidade

Figura 4: Histerese

Figura 3: Este tipo de imperfeição é referido como não linearidade. (Figura 3) Este efeito é frequentemente enfatizado nos extremos da faixa de medição. Portanto, é útil verificar se a especificação de precisão inclui a não linearidade e se a precisão é ou não especificada para toda a faixa de medição. Caso não seja, isso dá motivos para duvidar da precisão da medição próxima dos extremos.

Figura 4: Histerese é a mudança na sensibilidade da medição que depende da direção da mudança na variável medida. (Figura 4) Isso pode ser uma causa significativa de incerteza de medição no caso de alguns sensores de umidade, que são fabricados com material que se liga fortemente às moléculas de água. Se a precisão especificada não indicar se a histerese está incluída, essa fonte de incerteza de medição não será especificada. Além disso, se a sequência de calibração for feita em apenas uma direção o efeito da histerese não será visível durante a calibração, e se a histerese for omitida da especificação, também será impossível saber o nível de histerese na medição. Os sensores de polímero de película fina da Vaisala têm histerese insignificante, e isso é sempre incluído na precisão especificada.

Condições ambientais como temperatura e pressão também afetam a precisão de uma medição. Se a dependência da temperatura não for especificada e a temperatura de operação mudar significativamente, a repetibilidade poderá ser comprometida. Pode ser dada a especificação para a temperatura de operação total ou para uma faixa de operação específica, limitada ou “típica”. As especificações expressas desta forma deixam outras faixas de temperatura não especificadas.

Estabilidade e seletividade

A sensibilidade de um dispositivo de medição pode mudar com o tempo devido ao envelhecimento. Em alguns casos, esse efeito pode ser acelerado pela interferência de produtos químicos ou outros fatores ambientais. Se a estabilidade a longo prazo não for especificada ou se o fabricante não puder fornecer recomendações para o intervalo de calibração típico, a especificação indicará apenas a precisão no momento da calibração. Uma mudança lenta na sensibilidade (às vezes chamada de desvio ou arrasto) é prejudicial porque pode ser difícil de observar e pode causar problemas latentes nos sistemas de controle.

A seletividade é definida como a insensibilidade do instrumento a mudanças em outros fatores além do mensurando real. Por exemplo, a medição de umidade realizada em uma atmosfera contendo certos produtos químicos pode ser afetada de modo que a medição seja de fato influenciada pelos produtos químicos. Esse efeito pode ser reversível ou irreversível. A resposta a alguns produtos químicos pode ser extremamente lenta, e essa sensibilidade cruzada ao produto químico pode ser facilmente confundida com desvio. Um instrumento com boa seletividade não é afetado por mudanças em outros fatores além do mensurando real.

Calibração e ambiguidade

Se as leituras de medição se desviarem da referência, a sensibilidade do instrumento poderá ser corrigida. Isso é chamado de ajuste. O ajuste realizado em um ponto é chamado de correção de deslocamento; o ajuste de dois pontos é uma correção linear tanto para a compensação quanto para o ganho (sensibilidade). Se a medição precisar ser ajustada em vários pontos, isso pode indicar uma linearidade ruim na medição, que deve ser compensada com correções multiponto não lineares. Além disso, se os pontos de ajuste forem iguais aos pontos de calibração, a qualidade da medição entre os pontos de ajuste permanecerá não verificada.

Uma vez ajustado o instrumento, ele é calibrado para verificar sua precisão. A calibração, que às vezes é confundida com ajuste, significa comparar o valor medido com uma referência conhecida, chamada de padrão de trabalho. O padrão de trabalho é o primeiro elemento da cadeia de rastreabilidade, o que significa a série de calibrações e referências até o padrão primário. Enquanto vários instrumentos calibrados em relação a uma certa referência podem ser precisos em relação uns aos outros (alta precisão), a precisão absoluta em relação ao padrão primário não poderá ser verificada se a incerteza de calibração não for especificada.

A rastreabilidade da calibração significa que a cadeia de medições, referências e incertezas relacionadas até o padrão primário é conhecida e documentada profissionalmente. Isso permite o cálculo da incerteza da referência de calibração e a determinação da precisão do instrumento. 

O que é "preciso o suficiente"?

Ao escolher um instrumento de medição, é necessário considerar o nível de precisão necessário. Por exemplo, em aplicações de controle de ventilação padrão onde a umidade relativa é ajustada para o conforto humano, ±5% UR pode ser aceitável. No entanto, em uma aplicação como controle de torre de resfriamento, um controle mais preciso e margens menores são necessários para aumentar a eficiência operacional. 

Quando a medição é usada como um sinal de controle, a repetibilidade e a estabilidade a longo prazo (precisão) são importantes, mas a precisão absoluta em relação a uma referência rastreável será menos significativa. Este é especialmente o caso em um processo dinâmico, onde as variações de temperatura e umidade são grandes e a estabilidade da medição, em vez da precisão absoluta, é crucial. 

Por outro lado, se, por exemplo, a medição for usada para verificar se as condições de teste dentro de um laboratório são comparáveis com outros laboratórios, a precisão absoluta e a rastreabilidade da calibração são de extrema importância. Um exemplo desse requisito de precisão está na norma TAPPI/ANSI T402 – Ambientes de teste e condicionamento padrão para papel, cartão, folhas de papel e produtos relacionados, que define a condição de teste em um laboratório de teste de papel como 23 ±1,0 °C e 50 ±2% UR. Se a precisão especificada da medição foi, por exemplo, ±1,5% UR, mas a incerteza de calibração foi de ±1,6% UR, a incerteza total em relação ao padrão de calibração primário excederia a especificação e as análises realizadas – que dependem fortemente da umidade ambiente dentro da instalação de teste – não seriam comparáveis e não seria possível confirmar que as análises foram realizadas em condições padrão. 

A especificação de precisão por si só, sem informações sobre a incerteza de referência de calibração, deixa a precisão absoluta do instrumento indefinida.

A Vaisala se orgulha de fornecer especificações profissionais e abrangentes baseadas em padrões internacionais, métodos de testes científicos e dados empíricos. Para os clientes, isso significa informações abrangentes e confiáveis que os ajudam a fazer as escolhas corretas de produtos.

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Figura 5: Comparação de informações de precisão nas especificações de três marcas diferentes de transmissores de umidade de alta precisão

O que perguntar ao escolher um instrumento?

A precisão especificada inclui todas as incertezas possíveis: repetibilidade, não linearidade, histerese e estabilidade a longo prazo?

A precisão especificada cobre toda a faixa de medição ou a faixa de especificação de precisão é limitada? A dependência da temperatura é dada na especificação ou a faixa de temperatura é definida na especificação de precisão?

O fabricante é capaz de fornecer um certificado de calibração adequado? O certificado inclui informações sobre o método de calibração, as referências usadas e a incerteza de referência calculada profissionalmente? O certificado inclui mais de um ou dois pontos de calibração e toda a faixa de medição é coberta?

A recomendação para o intervalo de calibração é fornecida ou a estabilidade a longo prazo está incluída na especificação de  precisão? Que nível de seletividade é necessário no ambiente operacional pretendido? O fabricante é capaz de fornecer informações ou referências sobre a adequação do instrumento para o ambiente e aplicação pretendidos?

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Jarkko Ruonala

Jarkko Ruonala

Product Manager

Vaisala

Jarkko Ruonala is a Product Manager for Vaisala Industrial Measurements. He has a background in automation, instrumentation and process analyzers. He has a Master of Science degree in Industrial Engineering and Management from the University of Oulu, Finland.

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