A Evolução da Ciência da Precisão no Século 21

Novos padrões de medição “democratizados” fornecem aos laboratórios e fábricas acesso a recursos de medição de alto nível, evitando protocolos de recalibração caros.

O que você aprenderá:

• Melhorias no SI estão ajudando a evoluir a ciência da precisão e medição.
• A democratização do SI cria uma cadeia de calibração de rastreabilidade acessível a qualquer pessoa, em qualquer lugar.
• A digitalização do SI está criando um sistema padronizado de expressão de especificações e tolerâncias de instrumentos para que os sistemas de medição possam calcular automaticamente as incertezas de medição e orientar os metrologistas, técnicos de calibração e engenheiros de processo na escolha do equipamento de medição correto.  

Como a ciência mais antiga do mundo, a metrologia, ou a ciência da medição, teve que evoluir continuamente. Desde o côvado no antigo Egito até os calibradores altamente precisos de hoje (Fig. 1) , a ciência em torno da medição e precisão muda à medida que continuamos a aprender e novas tecnologias se tornam disponíveis.

1. O Fluke Calibration 5128A RHapid-Cal Humidity Generator é um gerador de umidade portátil de alta precisão para sondas de calibração.

À medida que o tempo e a tecnologia avançaram, também avançou a ciência da medição, permitindo medições melhores em todos os setores. Uma melhor capacidade de medição melhora a pesquisa, o desenvolvimento e a fabricação, o que leva a melhores produtos e melhorias na qualidade de vida, como medicamentos, comunicação e viagens, para listar apenas alguns

Metrologia e calibração

Embora a metrologia moderna possa traçar algumas de suas raízes até a Revolução Francesa – até 1791, quando o metro foi definido – a ideia e a necessidade de padronização fluem através de nossa história. E continuará a fluir para o nosso futuro para que as tecnologias continuem a melhorar.

Tecnologias, invenções, progresso estão acontecendo em todo o mundo todos os dias. No entanto, você não pode continuar avançando a menos que seja capaz de medir e controlar parâmetros críticos.

É aí que entram duas das peças mais importantes da metrologia. Tanto a precisão quanto a rastreabilidade são críticas para entender a capacidade de medição do sistema e dos instrumentos que estão sendo usados.

Precisão

Precisão fala de quão corretas são as medições. Quando se fala em metrologia e ciências da medição, é importante que a informação esteja o mais próximo possível da verdade real.

As medições estão sujeitas a muitas fontes de erro. Idealmente, o objetivo é sempre manter esses erros tão pequenos e precisos quanto possível, mas eles não podem ser reduzidos a zero.

Os especialistas em medição e calibração estão cientes de que sempre há incerteza na medição. É por isso que é fundamental entender os parâmetros que estão sendo medidos para que o nível correto de capacidade de medição seja usado. Instrumentos com maior precisão geralmente são mais caros, não tão robustos e podem exigir conhecimento de alto nível para usá-los. Instrumentos de baixa precisão podem não ser bons o suficiente para as medições necessárias e causarão problemas de qualidade e desconfiança dos dados.

Muitos setores seguem a regra 4 para 1, em que um instrumento de referência deve ser 4 vezes mais preciso do que a especificação que está sendo avaliada para determinar uma aprovação ou reprovação clara e concisa. Risco de decisão de medição é um termo que descreve um sistema de ferramentas e processos para determinar a relação de especificação correta entre o dispositivo de medição de referência e o dispositivo em teste (DUT). O termo DUT é usado em metrologia para descrever o dispositivo ou instrumento que está sendo medido e testado para uma tolerância ou especificação. 

Rastreabilidade e a Democratização do SI

A rastreabilidade especifica as etapas realizadas para seguir uma medição através de uma cadeia ininterrupta de calibrações e padrões de referência até o Sistema Internacional de Unidades (SI). Qualquer ferramenta usada para medições importantes deve ter sido calibrada por algo que também foi calibrado e deve ter maior capacidade de precisão para garantir que a ferramenta esteja dentro da tolerância. Da mesma forma, esse padrão de referência foi calibrado por outra ferramenta mais precisa. E assim por diante, até que a cadeia de calibração atinja o SI.

O processo de ser capaz de seguir a papelada de calibração e os dados da cadeia de calibração até o SI é a rastreabilidade. A medição para um padrão rastreável ajuda a verificar a precisão na linha e, assim, garante melhor que uma peça fabricada ou ferramenta de medição atenda às especificações desejadas.

Estamos tão acostumados com a rastreabilidade que exige medição por meio de um instituto metrológico nacional (NMI) e com o SI que torna estranho considerar que muitos especialistas do setor não acham que isso deva ser feito dessa maneira.

Uma perspectiva comumente referida como D emocratização do SI está mudando a maneira como as pessoas pensam sobre rastreabilidade e moldando o caminho para o desenvolvimento futuro da tecnologia de medição. Fazendo as perguntas “Por que preciso enviar meu padrão para um laboratório de calibração?” e “Por que apenas alguns laboratórios deveriam ser capazes de fazer essas medições de alto nível?” está impulsionando a mudança na indústria de medição.

Muito tempo e dinheiro são gastos enviando padrões de referência para calibração. Tanto o tempo quanto a receita são perdidos enquanto se espera que o padrão de referência volte da calibração. E se o padrão de referência realizar a própria definição do SI e não precisar ser enviado para calibração – e, portanto, nunca precisar ser retirado de serviço? 

Melhorando o SI

Alguns anos atrás, o Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) concordou em revisar o SI para mudar as definições das unidades baseadas em artefatos remanescentes para definições baseadas em constantes imutáveis ​​da física. As medições SI de Kelvin e quilograma foram as mais afetadas pelas revisões.

As revisões também ajudaram a apoiar a democratização da IS . Agora toda unidade do SI pode ser realizada em um laboratório que possua um instrumento usando as constantes e definições do SI (Fig. 2) . Por exemplo, o quilograma pode ser realizado em um laboratório que usa um Watt Balance e o kelvin pode ser realizado em um laboratório usando um Johnson Noise Thermometer.

2. O SI com suas constantes definidoras.

Com uma Balança Watt, a medição de massa não precisa mais depender de um quilograma. E com o Johnson Noise Thermometer, a medição de temperatura não precisa ser vinculada à temperatura do ponto triplo da água (0,010 °C). Em alguns casos, ainda não temos a capacidade de medição com esses instrumentos baseados em física, mas as bases foram lançadas para o desenvolvimento de instrumentos que atenderão e excederão a capacidade fornecida por medições baseadas em artefatos.

Esse ajuste foi um grande ponto de virada na forma como medimos o mundo. Finalmente substituímos uma tecnologia que, no caso do quilograma, foi estabelecida no século ^XIX . O artefato do quilograma que estava vagando lentamente desde que chegou no final de 1800, estava jogando fora as medições na cadeia de calibração que se baseava nele.

Esse nível de incerteza era apenas algo com o qual vivíamos, até que as mudanças fossem feitas no SI. Isso incomodou os cientistas por muitos anos, mas nenhuma grande alternativa surgiu até que instrumentos como o Watt Balance fossem desenvolvidos. Outras unidades do SI foram afastadas dos artefatos há muito tempo, como o medidor passando de um protótipo de artefato de medidor para uma definição baseada na velocidade da luz.

Quando os 60 países se reuniram em 2018, eles concordaram em adotar as novas definições, o que abriu o SI para ser acessível a mais pessoas. Os padrões de referência não estão mais trancados em cofres e cuidadosamente preservados ou sujeitos a contaminação ou outras fontes de erro. Em vez disso, eles contam com instrumentos que usam física e constantes da natureza.

Esses novos padrões de medição podem ajudar a garantir que laboratórios e instalações de fabricação em todo o mundo tenham acesso aos mais altos níveis de capacidade de medição. Isso, por sua vez, abre as portas para mais desenvolvimento tecnológico e melhoria da sociedade.

Quilograma

Havia apenas um quilograma verdadeiro, a unidade fundamental de massa – um cilindro de platina-irídio que vivia em um cofre no BIPM fora de Paris. A massa, mantida em um famoso cofre com fechadura tripla, era a definição do quilograma e referida como Le Grand K pelos cientistas encarregados de monitorá-la.

Desde 2019, a definição de quilograma é baseada na constante de Planck (Fig. 3) . Agora, qualquer equação física que tenha a constante de Planck e a massa pode ser usada como base para calcular o quilograma e outros valores de massa necessários na indústria.

3. Este diagrama de equilíbrio de Watt mostra como o quilograma pode ser medido usando a constante de Planck.

candela

A candela é a unidade SI para a intensidade luminosa da luz. É medido em fotometria, a ciência de medir a luz. As alterações de 2019 no SI ajustam a definição da candela para ser mais complicada do que antes, refinando a definição, mas mantendo a unidade de medida resultante consistente com a definição anterior. Isso ajuda a garantir que uma fonte de luz de uma candela pareça tão brilhante ao olho humano quanto uma vela de cera quando a ciência da medição da luz começou – ela pode ser medida com uma precisão incrível agora.

Kelvin

O kelvin é a unidade SI para temperatura. Antes de 2019, o kelvin era definido com base no ponto triplo da temperatura da água, que era realizado e medido em uma célula de ponto triplo da água, ou a temperatura onde todas as três fases da água existem ao mesmo tempo: sólido, líquido e gás.

A nova definição do SI para kelvin é baseada na constante de Boltzmann (Fig. 4) . Agora, qualquer equação física que tenha temperatura e a constante de Boltzmann pode se tornar a base para uma maneira de medir na verdadeira escala de temperatura termodinâmica.

4. O kelvin era anteriormente baseado em pontos triplos, como o Fluke Calibration 5901 Triple Point of Water Cells .

Metro

O medidor é um membro particularmente interessante da família SI porque também representa o desejo humano de igualdade. Foi um resultado direto de pessoas comuns se levantando e rejeitando os conceitos de monarquia e classe dominante na Revolução Francesa. Após a revolução, qualquer unidade de medida baseada em uma pessoa foi removida e substituída por uma definição baseada na ciência e na natureza.    

O metro foi introduzido como 1/10.000.000 da distância entre o Pólo Norte e o equador. Outras unidades de medida, como o litro, medida de volume, baseavam-se então no metro. E um artefato físico foi construído, então uma barra de platina tornou-se o padrão.

Eventualmente, com o avanço da ciência e da tecnologia, o medidor chegou à sua definição atual: a distância que a luz percorre no vácuo em 1/299.792.458 de segundo. GPS e smartphones são apenas dois exemplos de muitos avanços tecnológicos que foram possíveis graças às melhorias na medição de comprimento e distância. 

Segundo

A medição do tempo é outra disciplina de metrologia com significado histórico. Os conceitos de horas e minutos remontam aos tempos antigos, mas tinham comprimentos desiguais devido à forma como eram medidos. Embora ainda haja algum debate sobre quando o tempo começou a ser medido, geralmente se originou da astronomia, usando dispositivos como relógios de sol para rastrear o progresso do sol no céu.

Avançando rapidamente para o mundo moderno, a unidade básica do SI para o tempo, um segundo, é baseada no valor numérico fixo da frequência de um átomo de césio, em vez de apenas uma fração do dia. O mais novo relógio atômico usado no NIST tem um erro de apenas cerca de um segundo em 30 milhões de anos. E eles ainda estão trabalhando em maneiras de torná-lo ainda melhor. Esses avanços permitiram que os relógios atômicos estivessem disponíveis comercialmente, e medições precisas de tempo possibilitaram o desenvolvimento de tecnologias como GPS e computação rápida.

Ampère

Antes das medições SI atualizadas, o ampere era baseado em uma situação hipotética com condutores de comprimento infinito no vácuo. Ampere era difícil de definir, e outras tentativas foram feitas ao longo dos muitos anos de medição de corrente para montar uma definição melhor. Isso é especialmente importante considerando que muitas outras medidas elétricas são derivadas do ampère, como carga elétrica coulomb (ampère-segundo), volt (joule por coulomb), resistência (volt por ampère) e outras (Fig. 5 ) . Assim, em 2019, o ampère foi redefinido e agora é baseado em um número definido de elétrons passando por um ponto ao longo de um segundo.

5. O padrão de referência de tensão CC 732C da Fluke Calibration é baseado no padrão de ampères.

Verruga

O mol é uma unidade SI única porque é uma unidade para indicar a quantidade de qualquer coisa que exista em grande número, como átomos, moléculas e partículas subatômicas. Foi adicionado ao SI em 1971 e é muito importante na química.

A nova definição do SI ajusta o mol para ser um valor numérico fixo da constante de Avogadro. Isso significa que um mol de uma substância é 6,02214076 × 10 ²³ entidades elementares dessa substância.

Para onde está indo a ciência da medição e precisão?

Com essas mudanças no SI, os cientistas chegaram a um ponto em que o objetivo original do BIPM foi alcançado: um sistema de medição padronizado que está sempre disponível para todas as pessoas. No entanto, cada disciplina dentro da ciência da medição evoluiu e evoluirá à sua maneira com base nessas constantes da natureza e na tecnologia disponível na época.

Muitas disciplinas de metrologia praticadas hoje nem existiam até mais recentemente, e novas disciplinas provavelmente continuarão a se desenvolver à medida que os cientistas continuarem a aprender e descobrir mais. Temperatura, pressão, fluxo e metrologia elétrica evoluíram de maneiras diferentes e continuarão a atrair a tecnologia mais recente à medida que avançam no futuro.

A metrologia e a evolução da precisão é uma ciência em constante mudança que combina os princípios seculares que criaram a base da metrologia com o novo, fundindo os dois. Esses princípios iniciais continuarão a fazer parte de como as coisas são feitas. No entanto, o resto continuará a mudar em relação a eles.

A evolução já está trabalhando em direção a eletrônicos menores, permitindo que mais potência caiba na palma da sua mão do que nunca. A anedota de que nossos telefones celulares possuem mais poder de processamento do que os computadores do ônibus espacial coloca isso em perspectiva com muita clareza. Sem a metrologia e a precisão de medição exata necessária, os componentes não seriam capazes de caber em um telefone celular com tanta precisão.

Digitalização do SI

À medida que avançamos, há um forte impulso em direção à digitalização e à automação. Muitos certificados de calibração já estão em processo de digitalização para permitir a transmissão contínua de certificados em sistemas automatizados que precisam de entradas de dados legíveis por máquina. Esperançosamente, em breve, não haverá arquivos cheios de certificados de calibração em papel exigindo que um humano insira suas informações em um computador. 

Essas etapas levarão a uma rastreabilidade mais confiável e a sistemas de medição mais confiáveis ​​em geral. Também cria mais oportunidades para os sistemas de inteligência artificial (IA) monitorarem os sistemas de medição para detectar tendências e problemas para ajudar os metrologistas e engenheiros a tomar melhores decisões.

Felizmente, este é um empreendimento internacional. Assim, padrões e definições estão sendo desenvolvidos para que todos possam enviar informações de calibração sem nenhuma tradução adicional ou entrada manual de dados necessária. Este esforço está sendo referido como a digitalização do SI .

Outra parte da digitalização do SI é a criação de um sistema padronizado para expressar as especificações e tolerâncias do instrumento, de modo que os sistemas de medição possam calcular automaticamente as incertezas de medição. Isso ajudará os metrologistas, técnicos de calibração e engenheiros de processo a escolher o equipamento de medição correto.

É importante e empolgante entender que toda nova tecnologia e desenvolvimento na ciência se baseia na capacidade de fazer medições melhores e mais precisas, permitindo-nos observar melhor os princípios da ciência e aproveitar as constantes da natureza que compõem o universo. É seguro dizer que todo o futuro da metrologia não se parece com nada que conhecemos hoje ou do nosso passado.