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Erros de mediação Conceitos de Metrologia relacionados aos erros e incertezas de medição, com base no Vocabulário Internacional de Metrologia (VIM) e na guia de expressão de incerteza de medição (ISO GUM). Prof. Raimundo Alves de Rezende 1. Itens iniciais Propósito Apresentar os efeitos e as influências dos erros nas medições efetuadas e a justificativa para a zona de confiabilidade metrológica dos resultados de medição apresentados nas operações metrológicas, desenvolvidas nas atividades dos laboratórios de calibrações e ensaios, nas avaliações de conformidade de produtos, nas calibrações de equipamentos e instrumentos, ou no dia a dia do controle de processos de fabricação. Preparação Antes deste estudo, tenha em mãos papel, caneta e uma calculadora científica, mesmo que seja a do smartphone ou do computador. Objetivos Reconhecer erros e suas caracterizações. Identificar os principais tipos de fatores que influenciam os erros. Definir a estimativa da incerteza de medição em um processo experimental. Erros de medição Neste vídeo, conheça mais sobre erros de medição. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. • • • 1. Erros e suas caracterizações Introdução à Metrologia Neste vídeo, descubra o que será abordado neste módulo. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Caracterização de erros Em qualquer processo de medição, existem erros presentes e associados, portanto, é primordial saber interpretar o processo de medição, identificar os erros e trabalhá-los a fim de minimizar seus efeitos ou estimar a faixa de validade dos resultados. Segundo o Vocabulário Internacional de Metrologia Legal (VIM, 2012), podemos definir o erro de medição como “a diferença entre o valor medido de uma grandeza e um valor de referência.” Assim, um valor de erro com módulo positivo significa que a medição realizada indica valores maiores do que os de referência, enquanto um valor de erro com módulo negativo representa que a medição indicou valores menores do que o valor de referência considerado. Identificado o erro e sua fonte em um processo de medição, o próximo passo que devemos trabalhar é o seu processamento, e a ação tomada depende da classificação do erro. O VIM classifica o erro em duas categorias: Erros sistemáticos Erros aleatórios Isso não significa que não existam outras classificações, mas a separação nessas duas categorias auxilia o processo de tomada de decisão quando damos início ao procedimento de análise de erros de um processo de medição. Uma medição, geralmente, é influenciada por diversos fatores. Alguns desses fatores podem ser controlados, outros, não, e essa falta de controle sobre todos os aspectos de uma medição é que pode gerar erros imprevisíveis cuja correção não pode ser aplicada utilizando-se um fator numérico ou uma função de medição. • • Atenção A confiabilidade dos resultados está diretamente relacionada com o controle e a correção dos erros de medição envolvidos no processo de obtenção dos resultados e conhecer todas as fontes de erros é fundamental para um completo entendimento deste processo. Erros sistemáticos Os erros de medição de um processo de obtenção experimental de um conjunto de medidas podem ser classificados e separados em dois grupos distintos. No primeiro grupo, estão enquadrados todos os erros cuja origem é bem conhecida e determinada e cuja correção correspondente não pode ser aplicada por motivos distintos; todavia, existe um único valor para aplicar como correção a um resultado de medição ou a cada medida realizada separadamente. Exemplo Ao medirmos a massa de um objeto em uma balança cuja indicação inicial não é nula, e indica 15g, automaticamente, conferimos a cada indicação de medição um erro de +15g, que deve ser posteriormente corrigida para que seja expresso o seu real resultado. Chamamos esse componente do erro de medição de erro sistemático, pois é sistematicamente apresentada em cada medição realizada até que sejam corrigidas as causas do problema. O erro sistemático é a parcela do erro que atua de modo previsível, ou seja, sua influência sempre ocorre em um mesmo sentido, contribuindo sistematicamente com um acréscimo ou uma diminuição em relação ao valor de referência. O tratamento de um erro sistemático pode ocorrer de duas maneiras: uma primeira, emergencial, quando apenas corrigimos o erro sistemático apresentado, e a outra, com análise e correção da causa raiz. A diferença entre essas abordagens é similar ao tratamento de uma goteira que surge no teto de uma casa. Sabendo onde a goteira está localizada, podemos colocar um balde imediatamente abaixo da goteira: isso é um tratamento emergencial do erro sistemático, pois havendo chuvas, sempre haverá goteiras. Uma segunda maneira de tratar o problema é analisando o telhado em busca de rachaduras e calafetando-as, aplicando uma manta ou reforçando as estruturas com novas camadas de materiais, introduzindo ou aperfeiçoando um sistema de escoamento ou sucção para água, entre outros. O importante é aplicar uma medida compatível com a necessidade apresentada. Análise da Causa Raiz (RCA – Root Cause Analysis) Para facilitar o processo de identificação da causa raiz de um erro sistemático em uma medição, relacionamos quatro fontes comuns de erros nesse processo: Decorrentes das fontes teóricas do modelo de medição Oriundas da utilização de modelos matemáticos de medições realizadas de forma indireta, que recorrem ao uso de equações contendo aproximações no modelo ou no uso de constantes físicas associadas. Decorrentes da instrumentação utilizada Quando ocorrem desvios na indicação do instrumento de medição utilizado por falta de regulagem interna ou não observação dos valores declarados em certificado de calibração do item. Decorrentes de fatores ambientais Quando fatores como umidade relativa do ar, temperatura ambiente, pressão atmosférica do local de medição e similares afetam o desempenho dos instrumentos de medição utilizados ou necessitam de correções para efeitos físicos, tais como dilatações térmicas ou similares. Decorrentes dos procedimentos utilizados pelo operador da medição Quando a falta de conhecimento sobre o processo de medição afeta os resultados por causa da realização de sequências erradas de medição, observação feita de pontos incorretos e que afetam a leitura (paralaxe), ou colocações enviesadas de peças em pontos de medição do instrumento, entre outros. A análise e estudo de erros sistemáticos em instrumentos devem ser analisados para que sejam conhecidas as tendências do instrumento e aplicadas correções, sempre que forem desenvolvidas medições. A calibração de instrumentos de medição é importante para que possam ser declarados os erros de um instrumento de medição em dada situação, portanto, convém que a calibração seja desenvolvida em condições similares às condições de uso regular e contínuo do instrumento de medição. Erros aleatórios Outra possibilidade da ocorrência de erros em uma medição é devida a fatores ocasionais, temporais ou inesperados, cuja presença não é esperada pelo autor das medições e pode influenciar o resultado de uma medição. Esse segundo grupo de erros é classificado como erros aleatórios, pois sua correção não era esperada. Por desconhecimento do fenômeno, da causa ou origem de tal modificação, ou da introdução de erro na realização da medição, não é possível atribuir um valor a ser corrigido ou uma função de correção para ser aplicada em cada indicação individual. Exemplo Na realização da medição da massa de um objeto com uma balança, uma janela próxima à bancada de medição foi aberta, causando uma corrente de ar que influenciou a medição ora para mais, ora para menos. Sua presença não foi notada e houve alteração no fluxo de ar que passava pela janela. A medição prosseguiu com suas variações, sem que fosse possível a correção do erro. O erro aleatório é o componente do erro de medição que provoca alterações de formarandômica, ou seja, sua influência é imprevisível no resultado de uma medição. Esses erros são de natureza diversa e é comum não ser possível identificar a origem e o módulo da contribuição (é um procedimento difícil). Isso oferece às medições uma zona de dúvida em torno do valor medido, por isso, minimizar os efeitos da origem acaba sendo o modo mais seguro de controle, ainda que não seja possível garantir a eliminação total dos efeitos aleatórios. Curva de distribuição normal conhecida como curva Gaussiana Vibrações produzidas por um banho termostático na estabilização térmica de um líquido, que será posto em pesagem: podemos reduzir os efeitos de vibração, bem como identificar sua origem, mas os efeitos de sua ação sobre o sistema de medição são aleatórios. Possíveis soluções são o afastamento do banho termostático e a utilização de amortecedores, mas não podemos garantir a eficiência em 100% dos amortecedores, e o afastamento do banho aumenta o risco de variações térmicas no transporte, perdendo sua utilidade, dependendo do grau de exatidão requerido pelo processo. É importante fixar a necessidade de repetições das medições, para que seja possível estimar a incerteza de medição associada. O uso do valor da média como o valor mais provável de um mesmo mensurando contribui para a diminuição do erro aleatório, portanto, conceitos básicos de estatística são necessários para estimativa do resultado de uma medição. Testando valores extremos (outliers) Apesar de não compor o procedimento de avaliação e estimativa da incerteza de medição, um procedimento muito comum associado à detecção de erros ou desvios no processo experimental é a aplicação de testes estatísticos para verificar a ocorrência de valores extremos na amostra observada. Valores extremos podem ser originados a partir de erros grosseiros, oriundos de falhas do operador na transcrição dos dados, inclusive precipitações de registro da indicação de instrumentos, que necessitam de tempo de espera para leitura adequada, ou aleatórios, oriundos da variabilidade aleatória inerente aos dados. Existem diversos testes estatísticos para identificar casos com valores extremos e rejeitá-los em relação ao conjunto de dados da amostra. Para testar se o conjunto de dados se baseia em uma distribuição normal, testes estatísticos específicos podem ser utilizados, por exemplo, o teste de Kolmogorov-Smirnov, o teste de Shapiro-Wilk, o teste de Anderson- Darling, o teste de Ryan-Joiner, entre outros. Um teste muito utilizado para um conjunto de dados da amostra comum é o teste de Grubbs, pois é um teste de fácil aplicação e que necessita apenas da condição de normalidade da distribuição dos dados do conjunto, atendida para a maior parte dos casos de dados de medição, de acordo com o teorema central do limite. Verificando o aprendizado Questão 1 Sobre as sete grandezas de base que compõem o Sistema Internacional de Unidades (SI), é correto afirmar que: A O erro grosseiro é o componente do erro de medição que não toleramos em uma medição. B O erro sistemático é o componente do erro de medição imprevisível em um processo de medição. C O erro aleatório é o componente do erro de medição que provoca alterações de forma randômica, ou seja, sua influência é imprevisível no resultado de uma medição. D O erro instrumental é o componente do erro de medição devido ao instrumento inadequadamente utilizado. E O erro ocasional é o componente do erro de medição relacionado aos erros aleatórios produzidos por falta de treinamento. A alternativa C está correta. O erro aleatório é o componente do erro de medição que provoca alterações de forma randômica, ou seja, sua influência é imprevisível no resultado de uma medição. Já o erro sistemático é a parcela do erro que atua de modo previsível, ou seja, sua influência sempre ocorre em um mesmo sentido, contribuindo sistematicamente com um acréscimo ou uma diminuição em relação ao valor de referência. Questão 2 É correto afirmar a respeito do tratamento de um erro sistemático: A Pode ocorrer em duas formas: emergencial e com a análise e correção da causa raiz. B Pode ocorrer de forma emergencial – quando apenas corrigimos o erro aleatório apresentado. C Pode ocorrer de forma emergencial com a análise e correção da causa raiz. D Pode ser tratado apenas com a análise e correção da causa raiz. E Não pode ser tratado, pois não há correção aplicável. A alternativa A está correta. O tratamento de um erro sistemático pode ocorrer de duas maneiras: uma primeira, emergencial, quando apenas corrigimos o erro sistemático apresentado; e a outra, com análise e correção da causa raiz. 2. Principais tipos de fatores que influenciam os erros Fatores internos e externos de erros Neste vídeo, descubra o que será abordado neste módulo. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Fontes de erros O resultado de uma medição é, em geral, somente uma estimativa do valor do mensurando e só pode ser considerado como uma informação completa quando acompanhado de uma declaração da confiabilidade dos resultados apresentados. Declarar esse valor não é uma tarefa complicada, mas será necessário ter conhecimentos básicos de estatística populacional e dos sistemas de medição utilizados se desejarmos atribuir maior significado para os seus números, provenientes de medições. Atenção Para declarar a confiabilidade de uma medida, é requerido um amplo conhecimento sobre o processo de medição e sobre todos os fatores que podem influenciar o resultado da medição. Conhecer esses fatores, muitas vezes, é impraticável, financeiramente dispendioso, ou complicado; portanto, é necessário ter uma prática uniformizada para determinação da estimativa da incerteza de medição de determinado fenômeno ou parâmetro. Fatores internos de erros Embora toda avaliação de levantamento das fontes de erros internos, ou seja, do próprio sistema de medição, exija criteriosa e única análise, algumas fontes de erros são observadas com mais frequência em diversos sistemas de medição. A presença dessas fontes nem sempre será significativa em todos os níveis de medição, mas seu efeito deve ser considerado, ao estimarmos a incerteza total da medição, em função de sua participação, em maior ou menor grau. O desempenho dos instrumentos de medição durante a calibração deve ser avaliado para determinar sua contribuição para o erro e a incerteza total do processo de medição. A avaliação de desempenho precisa cobrir os atributos do instrumento, significativos para o processo de medição. A avaliação deve incluir alguns ou todos os fatores: I. Repetitividade da medição II. Linearidade na faixa utilizada III. Número de dígitos do indicador/valor da menor divisão (resolução) IV. Excentricidade (carregamento fora do centro) V. Efeitos magnéticos Outro efeito interessante que deve ser considerado é a decorrência da deriva dos padrões (artefatos físicos) utilizados. Deriva instrumental é a propriedade decorrente da variação lenta, contínua ou incremental, das características metrológicas atribuídas. Diante disso, é necessário levar em consideração a provável mudança no valor declarado do padrão de referência, desde a sua última calibração. Essa mudança pode ser estimada, a partir dos resultados de sucessivas calibrações dos padrões de referência. Se não existir um histórico de calibrações anteriores para os padrões, é usual assumir que o valor certificado possa mudar em uma quantidade igual à sua incerteza de medição entre as calibrações. A estabilidade dos padrões pode ser afetada pelo material e pela qualidade da sua fabricação, pelo acabamento superficial, material de ajuste instável, desgaste físico, desleixo e contaminação ambiental (e isso, normalmente, está relacionado com sua classe de exatidão). O valor adotado para a estabilidade precisará ser reconsiderado se o uso ou ambiente dos padrões mudar – o que exigirá a realização de uma avaliação específica. O intervalo de calibração para os padrõesde referência precisará estar baseado na estabilidade deles. Outras contribuições podem ser avaliadas apenas após observação do sistema de medição e suas características inerentes à montagem. Atenção Compreender – além de estimar – essas fontes de erros é fundamental para o processo de estimativa da incerteza de medição. Agora que já classificamos o erro de medição em duas parcelas, o erro sistemático e o erro aleatório, e já compreendemos que uma dessas parcelas pode ser corrigida, enquanto a outra pode apenas ser estimada, entendemos que a parcela estimada reflete o grau de incerteza do processo de medição. Saiba mais sobre os sistema mecânicos e elétricos: Sistemas mecânicos Os erros de geometria de partes e mecanismos são as principais fontes de erros internos em sistemas de medição mecânicos. As limitações de custos e tecnológicas, a qualidade dos componentes e das partes que compõem os mecanismos, e o rigor na montagem e nos alinhamentos comumente se afastam do ideal. O uso contínuo também tende a desgastar os componentes, o que pode causar folgas e piorar a performance do conjunto. Sistemas elétricos Nesses sistemas de medição, as conexões e propriedades térmicas e de condução elétrica dos componentes eletrônicos, além do desempenho dos circuitos, são as mais frequentes fontes de erros internos. Essas condições não ideais dos circuitos eletrônicos tendem a causar erros de medição. Fatores externos de erros Existem muitas causas para erros provenientes de fatores externos (por exemplo, o operador). Os fatores externos podem provocar erros de medição, que alteram diretamente o comportamento do sistema de medição, ou afetam diretamente a grandeza a ser medida. Há diversos fatores externos relacionados ao processo de medição (arredondamentos, formulação matemática utilizada etc.), ao instrumento padrão (incerteza do padrão, deriva etc.), aos fatores humanos (cansaço, acuidade visual, à falta de treinamento etc.), às condições ambientais (ruído, umidade, vibração, temperatura ambiental etc.), entre outros fatores. Em grande parte dos sistemas de medição, o fator externo mais crítico é a variação da temperatura ambiente. A dilatação das escalas dos instrumentos de medição, por exemplo, pode ser provocada por essa variação. A variação da temperatura pode, também, ser causada por fator interno. Exemplo típico é o da não estabilidade dos sistemas elétricos de medição, em determinado tempo, após serem ligados. É necessário aguardar a estabilização térmica dos instrumentos/ equipamentos para reduzir os efeitos da temperatura. Outro fator externo que necessita de grande atenção são os fatores humanos. Os profissionais, por mais qualificados que sejam, estão sujeitos a cometer erros. Afinal, são afetados por condições humanas típicas de sua natureza e seu comportamento (saúde, humor, cansaço etc.), nem sempre sendo suas atividades contínuas e racionais. Portanto, as atividades que envolvem o fator humano devem ser tratadas como críticas dentro de um processo ou sistema. Contudo, apesar de existirem diversos motivos que podem levar ao erro humano, uma boa parte é previsível e detectável. É importante compreender também que os erros podem surgir de ações deliberadas. Há casos em que o erro é causado pela decisão consciente de tomar uma atitude inadequada. Importante observar que os profissionais em geral são potenciais geradores de erros, sejam os responsáveis pela limpeza, execução de medições, ou os responsáveis pela emissão de resultados de medição. Confira possíveis motivos que acarretam erros de medição sistemas mecânicos e elétricos: 1 Sistemas mecânicos Além do grande impacto das variações de temperatura, a presença de vibrações mecânicas pode provocar erros de medições expressivos nos sistemas de medição. 2 Sistemas elétricos Os fatores que podem afetar o comportamento dos sistemas de medição elétricos incluem a presença de campos eletromagnéticos, as variações da tensão de alimentação, as variações na frequência da rede elétrica, a umidade excessiva e a variação da temperatura ambiental. Minimizar fatores de erros A falta de conhecimento do valor exato de determinada propriedade ocorre por diversos fatores, exteriores e interiores à medição. A causa mais aparente desse desconhecimento é apresentada pela variabilidade dos resultados de medição no momento da coleta de dados. Pequenas flutuações no resultado, observadas por uma instrumentação metrológica adequada ao processo, impedem-nos de determinar com base (apenas) na indicação de uma leitura de determinada grandeza uma característica metrológica. Saiba mais Na tentativa de estimar uma incerteza no processo de obtenção de uma medição, as contribuições de cada erro aleatório devem ser quantificadas; portanto, o primeiro passo para determinação desse parâmetro é o conhecimento dos fatores de influência, ou das grandezas de influência, no processo de medição. Uma ferramenta facilitadora do processo de compreensão de como cada grandeza de influência pode afetar o resultado de uma medição é o diagrama de Ishikawa, ou diagrama de espinha de peixe, potente instrumento da qualidade, que nos permite verificar cada variável do processo que interfere na garantia da qualidade dos resultados obtidos. Exemplo genérico da aplicação de um diagrama de Ishikawa a um processo de medição. Nesse diagrama, a grandeza em medição é representada por uma seta longa na horizontal, atingida por outras setas, representando as grandezas de influência para o processo de medição. Cada nova grandeza de influência introduzida passa a ser uma variável importante para a garantia dos resultados de medição; ela deve ser avaliada e ter as suas grandezas de influência qualificadas para compreensão da causa raiz de determinado problema e fornecer as informações necessárias ao operador da medição, para que ele possa minimizar os efeitos da grandeza de influência e quantificar, futuramente, seus efeitos para a instabilidade do resultado de medição. Esse procedimento segue para toda e qualquer variável ou grandeza de influência que interfira no resultado da medição. Todos os fatores internos e externos, incluindo características não ideais do sistema de medição, condições humanas e influências das condições ambientais, são exemplos de fatores que levam a erros de medição. Por melhor que seja a qualidade do sistema de medição, por mais qualificados e cuidadosos sejam os profissionais, e por mais estáveis sejam as condições ambientais, ainda assim, em maior ou menor grau, os erros de medição não serão plenamente eliminados. Verificando o aprendizado Questão 1 A avaliação de desempenho precisa cobrir atributos do instrumento, que são significativos para o processo de medição. Com base nessa afirmação, é incorreto afirmar que a avaliação precisará incluir o seguinte fator interno: A Baixa repetitividade da medição. B Instrumentos analógicos. C Número de dígitos do indicador/valor da maior divisão (resolução). D Excentricidade (carregamento fora do centro). E Variação da temperatura ambiental. A alternativa E está correta. A variação da temperatura ambiental é um fator externo de erro e não interno. Questão 2 Que ferramenta da qualidade é muito útil para a compreensão de como cada grandeza de influência pode afetar o resultado de uma medição? A Diagrama de Pareto B Diagrama de dispersão C Diagrama espinha de peixe D Lista de verificação E Brainstorming A alternativa C está correta. O diagrama de Ishikawa, também conhecido como diagrama espinha de peixe, é uma ferramenta da qualidade que facilita a compreensão de como cada grandeza de influência pode afetar o resultado de uma medição. Ela possibilita uma análise de cada variável do processo que interfere na garantia da qualidade dos resultados de medições. 3. Estimativa da incerteza de medição em um processo experimental Avaliação da incerteza Neste vídeo, descubra o que será abordado neste módulo. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir aovídeo. Atribuição das incertezas Em 1977, reconhecendo a falta de consenso internacional sobre a expressão da estimativa da incerteza de medição, a maior autoridade mundial em Metrologia, o Comitê Internacional de Pesos e Medidas (CIPM), solicitou ao Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) que fosse elaborado um guia orientativo para execução da prática, em conjunto com os laboratórios nacionais de Metrologia. Saiba mais Vinte e um laboratórios de diferentes países atenderam ao chamado do BIPM, e foi formado o primeiro grupo de trabalho com o objetivo de padronizar essa prática. O Grupo de Trabalho sobre a Declaração de Incertezas produziu a Recomendação INC-1 (1980), Expressão de Incertezas Experimentais, aprovada pelo CIPM, em 1981, e ratificada em 1986 pelo mesmo organismo. A recomendação proposta ganhou proporções e, anos depois, o CIPM transferiu a tarefa de desenvolver um guia detalhado com base na Recomendação do Grupo de Trabalho para a ISO, que prosseguiu com os trabalhos assessorado pelas organizações Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), Organização Internacional de Metrologia Legal (OIML), União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), União Internacional de Física Pura e Aplicada (IUPAP) e Federação Internacional de Química Clínica e Medicina Laboratorial (IFCC). Esses institutos elaboraram um documento orientativo, com base na recomendação do Grupo de Trabalho do BIPM sobre a Declaração de Incertezas, que fornecia regras sobre a expressão de incerteza de medição para ser utilizada em normalização, calibração, acreditação de laboratórios e serviços de metrologia, promovendo completa informação sobre como conseguir uma declaração de incerteza e fornecendo uma base para a comparação internacional de resultados de medição. Desse modo, foi criado o Guia para Expressão da Incerteza de Medição (ISO GUM), que estabelece as diretrizes básicas para determinação da estimativa da incerteza de medição. Suas recomendações são simples e de fácil compreensão, em virtude da completeza do documento no que tange à expressão da incerteza de medição. Existem particularidades e a leitura do documento deve vir acompanhada de uma bibliografia auxiliar de estatística populacional. Entretanto, os conceitos básicos acerca da teoria de propagação de erros podem ser facilmente empregados, de modo a expor um tratamento estatístico dos resultados de medição, para apresentar resultados, juntamente com uma incerteza adequada ao processo de medição executado, propor regularidades e redescobrir teorias, dentro de sua zona de validade. De posse do levantamento das grandezas de influência, é possível utilizar os passos descritos para determinação da incerteza de medição. Estimativa da incerteza das grandezas de entrada A incerteza do resultado de uma medição reflete a falta de conhecimento exato do valor de um mensurando que, mesmo após as correções dos efeitos sistemáticos, é apenas uma estimativa do valor do mensurando, por causa da incerteza proveniente dos efeitos aleatórios e da correção imperfeita do resultado de efeitos sistemáticos. Uma solução viável para esse problema é a indicação do valor mais provável que se possa medir da grandeza específica em medição. Indicar o valor mais provável, estatisticamente, significa utilizar uma medida de tendência desses resultados, e as medidas de tendência mais comuns que conhecemos são as seguintes: Média É o valor que aponta para onde mais se concentram os dados de uma distribuição ou o ponto de equilíbrio das frequências de determinado processo estatístico. Em suma, a média é o valor médio de uma distribuição, determinado segundo uma regra estabelecida a priori, e utilizado para representar todos os valores da distribuição. Mediana É uma medida de tendência central de uma distribuição de valores, que ordena um grupo de dados, separando igualitariamente uma amostra, população ou distribuição de probabilidade em dois subconjuntos, e cujo valor é igual ao valor do termo que divide os dois subconjuntos de dados. Moda É o valor que se apresenta com maior frequência em uma dada distribuição de valores, ou seja, é o valor que detém o maior número de observações, ou o valor que ocorre com maior frequência em um conjunto de dados, sendo, assim, o valor mais comum entre eles. [...] na maioria dos casos, a melhor estimativa disponível da esperança ou valor esperado de uma grandeza que varia aleatoriamente e para a qual n observações independentes foram obtidas sob as mesmas condições de medição é a média aritmética das n observações. (INMETRO, 2012, p.10) Expressando os resultados em termos de medidas de tendências centrais, a aleatoriedade dos resultados pode ser indicada em função das medidas de dispersão de amostras estatísticas. Em um conjunto de dados, se todas as observações de uma variável estão próximas, isso indica que os indivíduos dessa população não são muito diferentes com relação a essa variável. Por outro lado, se as observações estão dispersas, isso aponta divergências entre as indicações desses indivíduos e a intensidade dessas divergências pode ser considerada como um indicador da qualidade dos resultados apresentados; portanto, a indicação de uma medida de dispersão de uma amostra é um fator que quantifica e classifica a qualidade dos resultados de medição obtidos de forma experimental. Para atribuirmos tal fator numérico aos resultados, as medidas de dispersão estatística dos resultados mais comuns são: 1 Amplitude Definida como o resultado da diferença entre o maior e o menor valor de um conjunto de dados. 2 Desvio Definido como o resultado da diferença de um valor de um conjunto de dados e um valor de referência desse mesmo conjunto. 3Variância Uma medida de dispersão, constituindo-se como a soma dos desvios quadráticos das observações em relação à sua média aritmética, sendo aquela soma dividida pelo número de observações menos um. 4 Desvio padrão É a raiz quadrada da variância. Por refletir com mais riqueza as particularidades do conjunto de dados, as medidas mais utilizadas são as de desvio padrão ou variância. Entretanto, as duas medidas são consideradas para conjuntos de dados que refletem uma amostra estatística de uma população. Como não é prático, nem possível, obter todos os dados de uma população (para o caso de medidas laboratoriais, significa medir todas as possibilidades de medição, considerando suas infinitas possibilidades), uma solução é considerar o desvio padrão da média como uma medida normalizada do parâmetro de desvio padrão. Desse modo, os efeitos estatísticos de repetitividade / flutuabilidade dos resultados de medição, além de efeitos da realização de medições em posições excêntricas ou tendenciosas, e demais efeitos que possam ter sido causados pelo operador da medição, durante a realização das medidas, poderão ter uma estimativa do desvio causado na medição. Assim, poderão ter seus efeitos quantificados para fins de estimativa da incerteza de medição, mas nem todos os efeitos que interferem na medição são provenientes da própria medição. Informações de manuais e catálogos, a vivência de um operador com mais experiência, e informações de calibrações e certificados de calibração são exemplos de fatores que influenciam a qualidade dos resultados de medição e não são evidenciados por intermédio de medições. Todas as suposições informadas, palpites e imaginações fazem parte dos atos exploratórios e podem servir para a descoberta da "verdade", segundo certos estudiosos em filosofia da ciência, como Michael Polanyi, um físico- químico e polímata húngaro-britânico. Polanyi escreveu em The Tacit Dimension, que devemos começar da premissa de que "podemos saber mais do que podemos dizer" e chamou essa fase de pré-lógica de saber como "conhecimento tácito". O conhecimento tácito é composto por uma gama de informações conceituais, sensoriais e imagens que podem ser trazidas em uma tentativa de dar sentido a algo ou para ajudar a formar um novo modelo ou teoria. Na tentativade expressar um modelo para determinação de uma estimativa para a incerteza de medição, todas essas informações “tácitas” são importantes e não devem ser desprezadas. No entanto, o uso adequado desse conjunto de informações disponíveis para a avaliação de uma estimativa para a incerteza de medição exige discernimento baseado na experiência e no conhecimento geral, habilidade que pode ser aprendida com a prática e considerada tão confiável quanto uma avaliação estatística de resultados experimentais, especialmente, em uma situação de medição em que a avaliação para a incerteza é baseada em um número comparativamente pequeno de observações estatisticamente independentes. Para prosseguirmos com a análise das influências que compõem a incerteza de medição, agruparemos as contribuições em dois grupos distintos: quanto ao método de avaliação e à quantificação de suas influências para o resultado de medição. Método de avaliação No primeiro grupo, classificaremos todas as contribuições para a incerteza de medição obtidas com base na análise estatística de uma série de observações de um resultado de medição, e denominaremos esse procedimento de avaliação da incerteza do Tipo A. Quantificação das influências A avaliação da incerteza do Tipo B é baseada em outros métodos diferentes da análise estatística de uma série de observações; nesse grupo, estão todas as informações complementares (tácitas), ou exteriores ao processo de medição (informações de manuais, certificados etc.). O propósito da classificação das contribuições para a incerteza, em contribuições do Tipo A e contribuições do Tipo B, serve apenas para indicar as duas maneiras diferentes de avaliar os componentes da incerteza de medição e para discussão. Os dois tipos de avaliação são baseados em distribuições de probabilidade e os componentes da incerteza resultantes de cada tipo são quantificados por variâncias ou desvios padrão. Se um laboratório de medição tivesse recursos e tempo ilimitados, ele poderia conduzir uma exaustiva investigação estatística de todas as causas concebíveis de incerteza, utilizando, por exemplo, muitas marcas e tipos diferentes de instrumentos, diversos métodos de medição, aplicações do método, e aproximações dos seus modelos teóricos de medição. As incertezas associadas a todas essas causas poderiam, então, ser avaliadas pela análise estatística de séries de observações, e a incerteza de cada causa seria caracterizada por um desvio padrão estatisticamente avaliado. Em outras palavras, todos os componentes da incerteza seriam obtidos por meio de avaliações do Tipo A; entretanto, como tal investigação não tem nenhuma praticidade econômica, os componentes da incerteza de medição podem ser avaliados por quaisquer outros meios que sejam práticos. Determinação dos coeficientes de sensibilidade adequados No ato de estimarmos todas as contribuições para a incerteza de medição, muitas grandezas, cuja influência foi contabilizada, são distintas daquela que desejamos determinar. Antes de as combinarmos, devemos avaliar os efeitos que cada grandeza causa na grandeza em medição, ou seja, devemos avaliar a sensibilidade do mensurando com cada grandeza de entrada. O coeficiente de sensibilidade é um termo matemático que descreve como o mensurando varia com pequenas mudanças nos valores das estimativas da incerteza das grandezas de entrada e está associado com a taxa de variação da função, que descreve o modelo matemático da medição, em relação a cada uma de suas variáveis de entrada. Outro modo interessante de determinação desses coeficientes de sensibilidade é variar, experimentalmente, determinada grandeza de entrada enquanto as demais grandezas são mantidas constantes. Nesse caso, o conhecimento da função (ou de parte dela, quando somente alguns coeficientes de sensibilidade são determinados) é, de forma correspondente, reduzido a uma expansão empírica de primeira ordem da série de Taylor, baseada nos coeficientes de sensibilidade medidos. Atenção Uma aplicação importante dos coeficientes de sensibilidade está no balanceamento dimensional das unidades das incertezas das grandezas de entrada para que, quando combinadas, indiquem as unidades da grandeza em medição. Agrupamento das incertezas das grandezas de entrada Uma vez que já tenham sido considerados os efeitos das contribuições para a incerteza obtidas por intermédio das avaliações do Tipo A e do Tipo B, e tenham sido adequadamente avaliados os coeficientes de sensibilidade de cada estimativa da incerteza das grandezas de entrada, um modelo simplificado para a combinação dos componentes das incertezas do Tipo A e do Tipo B pode ser expresso pela soma pitagórica (soma quadrática) desses dois componentes, caso as grandezas de entrada sejam não correlacionadas entre si. Apresentação da incerteza expandida de medição A incerteza expandida é uma medida adicional de incerteza que fornece um intervalo em torno do resultado de medição, que corresponde a um intervalo dentro do qual existe maior probabilidade de encontrarmos valores que se aproximem do valor verdadeiro da medição. O valor da incerteza expandida de medição resulta do produto da incerteza padrão combinada por um fator de abrangência, obtido a partir da distribuição de t de student, e depende do grau de confiança ou da probabilidade de abrangência pretendida, e dos graus de liberdade efetivos da incerteza combinada. Saiba mais De modo simplificado, podemos afirmar que os graus de liberdade efetivos da incerteza combinada são o grau de confiabilidade na estimativa da incerteza dos desvios padrão. Em suma, é como determinar a incerteza da incerteza. Determinar os graus de liberdade efetivos não é intuitivo, mas não é tão complicado. A tarefa consiste em combinar a confiança (graus de liberdade) atribuída nas avaliações da incerteza do Tipo A (geralmente, igual ao número de medições efetuadas menos um) com a confiança em informações obtidas por outros meios (por meio da avaliação do Tipo B), e cuja liberdade é desconhecida a priori. A solução para determinação desse valor é apresentada quando observamos a relação de Welch- Satterthwaite, que postula a razão entre a incerteza combinada (elevada à quarta potência), e os graus de liberdade dessa incerteza combinada são iguais à soma das razões de cada contribuição da incerteza, obtidas pelas avaliações do Tipo A e do Tipo B (elevadas à quarta potência), pelos seus respectivos graus de liberdade. Como os graus de liberdade das contribuições do Tipo B não eram conhecidos a priori, atribuir mais liberdade para essas informações significa levar a razão contribuição para a incerteza do Tipo B (elevada à quarta potência) pelos seus graus de liberdade a um limite que tenda a zero e permita a solução da equação. A equação de Welch-Satterthwaite permite assegurar que quanto maior for o grau de liberdade, maior será a confiabilidade da incerteza expandida; contudo, deve-se ter em mente que essa fórmula só é válida quando as grandezas de entrada são independentes (não correlacionadas). Equação de Welch Satterthwaite Ver página 13 da Nota Técnica 02 da DIMEC/INMETRO – “A estimativa da incerteza de medição pelos métodos do ISO GUM 95 e de Simulação de Monte Carlo”. INMETRO - DIMEC / nt-02 (Nota Técnica 02) Exemplo de estimativa da incerteza de medição de um processo Estimar a incerteza de medição de um processo é tarefa que exige prática, portanto, para iniciar os estudos, vejamos o processo de estimativa da incerteza de medição de uma medição indireta, com avaliação não tão rica na definição das contribuições da incerteza de entrada, para que possamos acompanhar um caso relativamente simples da aplicação do método. Futuramente, recomendamos que você retorne a esse caso e amplie a avaliação sobre as grandezas de entrada, aperfeiçoe o modelo matemático de medição, insira outras contribuições para a incerteza, que não sejam provenientes da estatística, entre outros. Teoria na prática Em uma indústria de lajotas cerâmicas, o controle da qualidadedos insumos, que chegam no formato de pequenos cilindros para serem prensados e moldados, é realizado com o auxílio da medição da densidade da matéria-prima. Para determinar a densidade, utilizamos um processo indireto de medição em que são realizadas medições da massa, altura e diâmetro desses cilindros. Certa vez, após as medições de um cilindro específico, foram feitas todas as compensações dos efeitos sistemáticos, as medições foram desenvolvidas em ambiente controlado e os valores obtidos, e seus respectivos graus de liberdade (ν), foram os seguintes: Massa: Diâmetro: Altura: Determine o valor da densidade do cilindro e estime a incerteza de medição associada. Chave de resposta O primeiro passo que devemos adotar é apresentar as contribuições para a incerteza das grandezas de entrada. Sua estimativa deve ser obtida pela divisão da incerteza da medida (obtida por meio dos certificados ou da propagação feita por medição direta) pelo seu respectivo fator de abrangência (adquirido a partir da distribuição t de student, para 95,45% de abrangência). Tabela: Fator de abrangência (k) a partir da distribuição “t” de student. Extraído de: Brasil, 2012, p. 78. A partir da tabela, relacionamos que para ν = 14, k = 2,20; para ν = 4, k = 2,87; e para ν = 9, k = 2,32; portanto, as contribuições para as grandezas de entrada são: Massa Diâmetro Altura Conhecida a relação para a expressão da densidade de um cilindro e utilizando os valores do problema, é possível determinar o valor da densidade da matéria-prima para a confecção da lajota: Os coeficientes de sensibilidade podem ser calculados da seguinte forma: A incerteza combinada de medição deve ser obtida pelo produto entre as contribuições para a incerteza das grandezas de entrada multiplicadas pelos seus coeficientes de sensibilidade, em uma soma pitagórica entre as partes: Isso significa que a incerteza combinada da medição é 0,15g/cm³. Para finalizar nosso cálculo, basta expandir essa incerteza, multiplicando-a pelo fator de abrangência correspondente, a partir da equação de Welch-Satterthwaite. Nesse caso, como cada grandeza específica tem uma unidade diferente da unidade de saída, as contribuições na equação de Welch-Satterthwaite devem ser inseridas como incertezas padrão relativas, que são adimensionais: Portanto, a incerteza expandida dessa medição é 0,15 x 2,32 = 0,35 g/cm² e o resultado dessa medição deve ser expresso como: Conforme discutido anteriormente, outras contribuições podem ser consideradas ao estudo, tais como incerteza das constantes utilizadas no modelo matemático, desvios de forma inerentes ao material, efeitos de dilatação térmica não incorporados ao modelo de medição, entre outros. A riqueza da estimativa da incerteza de medição dependerá da riqueza da avaliação das grandezas de entrada e definição do modelo matemático de medição utilizado, além da qualidade dos insumos e das medições desenvolvidas no estudo. Verificando o aprendizado Questão 1 Marque a alternativa correta a respeito do documento de referência amplamente aplicado na estimativa e cálculo da incerteza de medição, internacionalmente aceito e reconhecido: A Guia Internacional de Unidades de Medida B Guia para Expressão da Incerteza de Medição C Manual das Contribuições Estatísticas para a Incerteza da Medição D Manual de Expressão de Incerteza em Metrologia E Vocabulário Internacional de Pesos e Medidas A alternativa B está correta. O Guia para Expressão da Incerteza de Medição (ISO GUM) estabelece internacionalmente as diretrizes básicas para determinação da estimativa da incerteza de medição. Questão 2 Quando as contribuições para a incerteza de medição expandida não apresentarem a mesma unidade de medida, é possível, na determinação dos graus de liberdade efetivos: A Revisitar o diagrama de causa e efeito e manter apenas contribuições de entrada com a mesma unidade de medida. B Refazer os experimentos, utilizando, se possível, um transdutor adequado. C Buscar meios não estatísticos para contabilizar as contribuições para a incerteza das fontes com unidades de medida diferentes. D Utilizar as contribuições para a incerteza de forma relativa, multiplicando-as pelo fator de abrangência correspondente, obtido a partir da equação de Welch-Satterthwaite. E Utilizar as contribuições na equação de Welch-Satterthwaite inseridas como incertezas padrão absolutas. A alternativa D está correta. Para finalizar o cálculo de incerteza de medição, é necessário expandir a incerteza combinada multiplicando-a pelo fator de abrangência correspondente, a partir da equação de Welch-Satterthwaite. Nesse caso, se cada grandeza específica tem uma unidade diferente da unidade de saída, as contribuições na equação de Welch-Satterthwaite devem ser inseridas como incertezas padrão relativas, que são adimensionais. 4. Conclusão Considerações finais Apresentamos conceitos básicos relacionados aos erros e incertezas, além dos efeitos do erro no processo de medição e sua classificação. Foi possível compreender que conhecer o erro e suas causas é o primeiro passo para minimizarmos os seus efeitos, aplicando correções, quando possível. Estudamos, também, conceitos e explicações que levam à compreensão de que toda medição possui um erro associado e a medida da incerteza de medição associada é o parâmetro que deve ser levado em consideração para estimar a confiança que podemos atribuir a um resultado. Porém, propagar erros na tentativa de realizar adequada estimativa para a incerteza de medição é um processo interativo e dinâmico e necessita de tempo para ganhar robustez; por isso, necessita ser operado e treinado sempre que possível. É fundamental buscar conteúdos atualizados sobre o tema e debater com especialistas da área, para aumentar a confiança dos valores declarados: o resultado é a redução de desperdícios, a melhoria do controle de processos e o aumento da confiança agregada. Podcast Confira o podcast sobre Erros de Medição. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para ouvir o áudio. Explore+ Para saber mais sobre os assuntos explorados neste conteúdo, leia os livros: “Estatística descritiva”, de Bento José Ferreira Murteira e George Hubert Joseph Black, editora McGraw-Hill Portugal, 1993. “Estatística”, de Murray R. Spiegel, editora McGraw-Hill, 1976. “Schaum’s Outline of Statistics”, de Murray R. Spiegel e Larry Stephens, editora McGraw-Hill, 2011. “Fundamentos da teoria de erros”, de José Henrique Vuolo, editora Blucher, 1996. Referências BRASIL. Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia. Avaliação de dados de medição: guia para a expressão de incerteza de medição – GUM 2008. Duque de Caxias: INMETRO/CICMA/SEPIN, 2012. COUTO, P. R. G. Estimativa da incerteza da massa específica da gasolina pelo ISO GUM 95 e método de Monte-Carlo e seu impacto na transferência de custódia. 2006. Dissertação (Mestrado em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos) – Faculdade de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2006. • • • • INMETRO. Avaliação de dados de medição: Guia para a expressão de incerteza de medição. 1. ed. Rio de Janeiro: Inmetro/Cicma/Sepin, 2012. INMETRO. Vocabulário Internacional de Metrologia‒ Conceitos fundamentais e gerais e termos associados (VIM 2012). 1. ed. luso-brasileira, autorizada pelo BIPM, da 3. ed. internacional do Vocabulário Internacional de Metrologia (VIM). Rio de Janeiro: Inmetro, 2012. MENDONÇA, A. J.; SERENO, H. R. S. Metrologia em massa. Rio de Janeiro: Inmetro, 2009. MENDONÇA, A. J. Tópicos de Metrologia aplicada à Engenharia: estimativa e cálculo da incerteza de medição. Rio de Janeiro: Inmetro, 2010. MENDONÇA, A. J. Tópicos de Metrologia da grandeza massa, uma leitura do curso de pesagens industriais ministrado para o Curso Técnico em Metrologia. Rio de Janeiro: Inmetro, 2011. Erros de mediação 1. Itens iniciais Propósito Preparação Objetivos Erros de medição Conteúdointerativo 1. Erros e suas caracterizações Introdução à Metrologia Conteúdo interativo Caracterização de erros Segundo o Vocabulário Internacional de Metrologia Legal (VIM, 2012), podemos definir o erro de medição como “a diferença entre o valor medido de uma grandeza e um valor de referência.” Atenção Erros sistemáticos Exemplo O erro sistemático é a parcela do erro que atua de modo previsível, ou seja, sua influência sempre ocorre em um mesmo sentido, contribuindo sistematicamente com um acréscimo ou uma diminuição em relação ao valor de referência. Decorrentes das fontes teóricas do modelo de medição Decorrentes da instrumentação utilizada Decorrentes de fatores ambientais Decorrentes dos procedimentos utilizados pelo operador da medição Erros aleatórios Exemplo Vibrações produzidas por um banho termostático na estabilização térmica de um líquido, que será posto em pesagem: podemos reduzir os efeitos de vibração, bem como identificar sua origem, mas os efeitos de sua ação sobre o sistema de medição são aleatórios. Possíveis soluções são o afastamento do banho termostático e a utilização de amortecedores, mas não podemos garantir a eficiência em 100% dos amortecedores, e o afastamento do banho aumenta o risco de variações térmicas no transporte, perdendo sua utilidade, dependendo do grau de exatidão requerido pelo processo. Testando valores extremos (outliers) Verificando o aprendizado Sobre as sete grandezas de base que compõem o Sistema Internacional de Unidades (SI), é correto afirmar que: É correto afirmar a respeito do tratamento de um erro sistemático: 2. Principais tipos de fatores que influenciam os erros Fatores internos e externos de erros Conteúdo interativo Fontes de erros Atenção Fatores internos de erros A estabilidade dos padrões pode ser afetada pelo material e pela qualidade da sua fabricação, pelo acabamento superficial, material de ajuste instável, desgaste físico, desleixo e contaminação ambiental (e isso, normalmente, está relacionado com sua classe de exatidão). Atenção Sistemas mecânicos Sistemas elétricos Fatores externos de erros A variação da temperatura pode, também, ser causada por fator interno. Exemplo típico é o da não estabilidade dos sistemas elétricos de medição, em determinado tempo, após serem ligados. É necessário aguardar a estabilização térmica dos instrumentos/equipamentos para reduzir os efeitos da temperatura. Sistemas mecânicos Sistemas elétricos Minimizar fatores de erros Saiba mais Verificando o aprendizado A avaliação de desempenho precisa cobrir atributos do instrumento, que são significativos para o processo de medição. Com base nessa afirmação, é incorreto afirmar que a avaliação precisará incluir o seguinte fator interno: Que ferramenta da qualidade é muito útil para a compreensão de como cada grandeza de influência pode afetar o resultado de uma medição? 3. Estimativa da incerteza de medição em um processo experimental Avaliação da incerteza Conteúdo interativo Atribuição das incertezas Saiba mais Esses institutos elaboraram um documento orientativo, com base na recomendação do Grupo de Trabalho do BIPM sobre a Declaração de Incertezas, que fornecia regras sobre a expressão de incerteza de medição para ser utilizada em normalização, calibração, acreditação de laboratórios e serviços de metrologia, promovendo completa informação sobre como conseguir uma declaração de incerteza e fornecendo uma base para a comparação internacional de resultados de medição. Desse modo, foi criado o Guia para Expressão da Incerteza de Medição (ISO GUM), que estabelece as diretrizes básicas para determinação da estimativa da incerteza de medição. Estimativa da incerteza das grandezas de entrada Média Mediana Moda Amplitude Desvio Variância Desvio padrão Todas as suposições informadas, palpites e imaginações fazem parte dos atos exploratórios e podem servir para a descoberta da "verdade", segundo certos estudiosos em filosofia da ciência, como Michael Polanyi, um físico-químico e polímata húngaro-britânico. Polanyi escreveu em The Tacit Dimension, que devemos começar da premissa de que "podemos saber mais do que podemos dizer" e chamou essa fase de pré-lógica de saber como "conhecimento tácito". Método de avaliação Quantificação das influências Determinação dos coeficientes de sensibilidade adequados O coeficiente de sensibilidade é um termo matemático que descreve como o mensurando varia com pequenas mudanças nos valores das estimativas da incerteza das grandezas de entrada e está associado com a taxa de variação da função, que descreve o modelo matemático da medição, em relação a cada uma de suas variáveis de entrada. Atenção Agrupamento das incertezas das grandezas de entrada Apresentação da incerteza expandida de medição Saiba mais A equação de Welch-Satterthwaite permite assegurar que quanto maior for o grau de liberdade, maior será a confiabilidade da incerteza expandida; contudo, deve-se ter em mente que essa fórmula só é válida quando as grandezas de entrada são independentes (não correlacionadas). Exemplo de estimativa da incerteza de medição de um processo Teoria na prática A riqueza da estimativa da incerteza de medição dependerá da riqueza da avaliação das grandezas de entrada e definição do modelo matemático de medição utilizado, além da qualidade dos insumos e das medições desenvolvidas no estudo. Verificando o aprendizado Marque a alternativa correta a respeito do documento de referência amplamente aplicado na estimativa e cálculo da incerteza de medição, internacionalmente aceito e reconhecido: Quando as contribuições para a incerteza de medição expandida não apresentarem a mesma unidade de medida, é possível, na determinação dos graus de liberdade efetivos: 4. Conclusão Considerações finais Podcast Conteúdo interativo Explore+ Referências