05/08/2014 1 Slides do livro FMCI 7 Resultados de Medições Resultados de Medições Indiretas Indiretas Fundamentos da Metrologia Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial Científica e Industrial Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 2/52) Motivação Motivação Como estimar a incerteza Como estimar a incerteza do valor de uma do valor de uma grandeza que é calculada grandeza que é calculada a partir de operações a partir de operações matemáticas com os matemáticas com os resultados de outras resultados de outras grandezas medidas? grandezas medidas? b c A = b . c u(A) = ? ± u(b) ± u(c) Slides do livro FMCI 7.1 7.1 Considerações Preliminares Considerações Preliminares
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FMCI Cap 7 [Modo de Compatibilidade]moodle.joinville.ifsc.edu.br/~coral/METROLOGIA_E_INSTRUMENTACA… · 05/08/2014 2 Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo
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Slides do livro FMCI
77Resultados de Medições Resultados de Medições
IndiretasIndiretasFundamentos da Metrologia Fundamentos da Metrologia
Científica e IndustrialCientífica e Industrial
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 2/52)
MotivaçãoMotivação
Como estimar a incerteza Como estimar a incerteza do valor de uma do valor de uma grandeza que é calculada grandeza que é calculada a partir de operações a partir de operações matemáticas com os matemáticas com os resultados de outras resultados de outras grandezas medidas?grandezas medidas?
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 4/52)
Medições indiretasMedições indiretas
O valor do mensurando é determinado a O valor do mensurando é determinado a partir de partir de operações matemáticasoperações matemáticas envolvendo envolvendo resultados de resultados de duas ou mais grandezas de duas ou mais grandezas de entrada medidas separadamenteentrada medidas separadamente..
Exemplos:Exemplos: A área de um terreno calculada através do A área de um terreno calculada através do
produtoproduto entre sua entre sua larguralargura pelo seu pelo seu comprimentocomprimento.. Determinação da corrente elétrica Determinação da corrente elétrica dividindodividindo a a
queda de queda de tensãotensão sobre um resistor pelo valor da sobre um resistor pelo valor da sua sua resistênciaresistência..
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 5/52)
O Modelo MatemáticoO Modelo Matemático
É necessário um modelo matemático É necessário um modelo matemático que relacione as grandezas de entrada que relacione as grandezas de entrada com o valor do mensurando.com o valor do mensurando.
Exemplos:Exemplos: A = l . hA = l . h V = d / tV = d / t
212
212
212 )()()( zzyyxxd
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 6/52)
Duas variáveis aleatórias são consideradas Duas variáveis aleatórias são consideradas estatisticamente estatisticamente independentesindependentes ou ou não não correlacionadascorrelacionadas se as variações aleatórias da se as variações aleatórias da primeira primeira nãonão guardam nenhum tipo de guardam nenhum tipo de sincronismosincronismo com as da segunda.com as da segunda.
Exemplo:Exemplo: a temperatura da água do mar na praia da a temperatura da água do mar na praia da
Joaquina e a cotação do dólar.Joaquina e a cotação do dólar.
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Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 7/52)
Dependência estatísticaDependência estatística
Duas variáveis aleatórias são consideradas Duas variáveis aleatórias são consideradas estatisticamente estatisticamente dependentesdependentes ou ou correlacionadascorrelacionadas se as variações aleatórias da se as variações aleatórias da primeira ocorrem de forma primeira ocorrem de forma sincronizadasincronizada com com as variações aleatórias da segunda.as variações aleatórias da segunda.
Exemplos:Exemplos: Os valores em Real da cotação do Euro e do Dólar Os valores em Real da cotação do Euro e do Dólar
(na verdade quem mais muda é o Real).(na verdade quem mais muda é o Real). A temperatura da água do mar em duas praias A temperatura da água do mar em duas praias
próximas.próximas.
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 8/52)
Correlação diretaCorrelação direta
Na correlação Na correlação diretadireta as variações estão as variações estão sincronizadas de tal forma que:sincronizadas de tal forma que: (a) o (a) o aumentoaumento aleatório do valor da primeira aleatório do valor da primeira
variável aleatória é acompanhado de um variável aleatória é acompanhado de um aumentoaumento proporcional da segunda variável.proporcional da segunda variável.
(b) a (b) a reduçãoredução aleatória do valor da primeira aleatória do valor da primeira variável aleatória é acompanhado de uma variável aleatória é acompanhado de uma reduçãoredução proporcional da segunda variável.proporcional da segunda variável.
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 9/52)
Correlação inversaCorrelação inversa
Na correlação Na correlação inversainversa as variações estão as variações estão sincronizadas de tal forma que:sincronizadas de tal forma que: (a) o (a) o aumentoaumento aleatório do valor da primeira aleatório do valor da primeira
variável aleatória é acompanhado de uma variável aleatória é acompanhado de uma reduçãoredução proporcional da segunda variável.proporcional da segunda variável.
(b) a (b) a reduçãoredução aleatória do valor da primeira aleatória do valor da primeira variável aleatória é acompanhado de um variável aleatória é acompanhado de um aumentoaumento proporcional da segunda variável.proporcional da segunda variável.
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Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 10/52)
Analogia da Gangorra ...Analogia da Gangorra ...
AB
CA BC
A e B possuem correlação direta
A e C possuem correlação inversa
B e C possuem correlação inversa
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 11/52)
Coeficiente de CorrelaçãoCoeficiente de Correlação
YX
YXYX
.
),cov(),(
sendo(X,Y) o coeficiente de correlação entre X e Ycov(X, Y) a covariância entre X e YX o desvio padrão da variável aleatória XY o desvio padrão da variável aleatória Y
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 12/52)
Estimativa do Coeficiente de Estimativa do Coeficiente de CorrelaçãoCorrelação
n
ii
n
ii
n
iii
yyxx
yyxxYXr
1
2
1
2
1
)(.)(
))((),(
sendor(X, Y) estimativa do coeficiente de correlação para X e Yxi e yi i-ésimo par de valores das variáveis X e Y
yex valores médios das variáveis X e Yn número total de pares de pontos das variáveis X e Y
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Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 13/52)
Correlação direta e inversaCorrelação direta e inversa
Ausência total de correlaçãoAusência total de correlaçãoρρ(X, Y) = 0,00(X, Y) = 0,00
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 14/52)
Correlação entre múltiplas Correlação entre múltiplas variáveis aleatóriasvariáveis aleatórias
AB
CD
A BC
D
AA BB CC DDAA +1+1 +1+1 --11 --11BB +1+1 +1+1 --11 --11CC --11 --11 +1+1 +1+1DD --11 --11 +1+1 +1+1
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 15/52)
Nas medições indiretas há boas Nas medições indiretas há boas chances de correlação quando:chances de correlação quando:
Há erros sistemáticos consideráveis e não Há erros sistemáticos consideráveis e não compensados nas medições de ambas compensados nas medições de ambas grandezas;grandezas;
Uma mesma grandeza de influência age Uma mesma grandeza de influência age fortemente em ambos processos de medição;fortemente em ambos processos de medição;
Ambas grandezas são medidas pelo mesmo SM Ambas grandezas são medidas pelo mesmo SM em condições distintas das de calibração ou em condições distintas das de calibração ou muito tempo após a calibração ter sido muito tempo após a calibração ter sido realizada.realizada.
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Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 16/52)
Nas medições indiretas há boas Nas medições indiretas há boas chances de chances de nãonão haver correlação se:haver correlação se:
Ambos os sistemas de medição foram Ambos os sistemas de medição foram recentemente calibrados e estão operando em recentemente calibrados e estão operando em condições próximas das condições de calibração condições próximas das condições de calibração e as respectivas correções estão sendo e as respectivas correções estão sendo aplicadas;aplicadas;
Distintos sistemas de medição são utilizados em Distintos sistemas de medição são utilizados em condições em que não há uma mesma grandeza condições em que não há uma mesma grandeza de influência presente que possa afetar de influência presente que possa afetar significativamente ambos os processos de significativamente ambos os processos de medição.medição.
Slides do livro FMCI
7.27.2Estimativa da Incerteza Estimativa da Incerteza
Combinada em Medições não Combinada em Medições não Correlacionadas (MNC)Correlacionadas (MNC)
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 18/52)
Adição e subtração de MNCAdição e subtração de MNC
O quadrado da incerteza combinada da O quadrado da incerteza combinada da adição ou subtração de MNC é adição ou subtração de MNC é calculado pela soma dos quadrados das calculado pela soma dos quadrados das incertezas padrão de cada termo:incertezas padrão de cada termo:
2n
22
21
2n21 )][u(X...)][u(X)][u(X)]X X [u(X
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Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 19/52)
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 20/52)
Exemplo: Subtração de MNCExemplo: Subtração de MNC
mC = m2 – m1
m1 = (1000 ± 6) g
m2 = (2000 ± 8) g
[u(mc)]2 = [u(m1)]2 + [u(m2)]2
[u(mT)]2 = [3]2 + [4]2 = 25
u(mT) = 5 g
MNC
mC = (1000 ± 10) g
11 22
mC + m1 = m2
U = t . u = 2,0 . 5 = 10 g
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 21/52)
Multiplicação de MNCMultiplicação de MNC
Na multiplicação de MNC o quadrado da Na multiplicação de MNC o quadrado da incerteza combinada relativa é calculado incerteza combinada relativa é calculado pela soma dos quadrados das incertezas pela soma dos quadrados das incertezas padrão relativas de cada fator:padrão relativas de cada fator:
2
2
2
2
1
1
2
21
21
X)u(X
X)u(X
.XX).Xu(X
)(Xu)(Xu).X(Xu 22R1
2R21
2R
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Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 22/52)
Divisão de MNCDivisão de MNC
Na divisão de MNC o quadrado da incerteza Na divisão de MNC o quadrado da incerteza combinada relativa é calculado pela soma combinada relativa é calculado pela soma dos quadrados das incertezas padrão dos quadrados das incertezas padrão relativas do divisor e do dividendo:relativas do divisor e do dividendo:
2
2
2
2
1
1
2
21
21
X)u(X
X)u(X
/XX)/Xu(X
)(Xu)(Xu)/X(Xu 22R1
2R21
2R
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 23/52)
Generalizando: Multiplicação Generalizando: Multiplicação e Divisão de MNCe Divisão de MNC
Na multiplicação e/ou divisão de qualquer Na multiplicação e/ou divisão de qualquer número de MNC o quadrado da incerteza número de MNC o quadrado da incerteza combinada relativa é calculado pela soma combinada relativa é calculado pela soma dos quadrados das incertezas padrão dos quadrados das incertezas padrão relativas de cada termo por:relativas de cada termo por:
)(Xu)(Xu)(Xu)X.X(Xu n2R2
2R1
2R
1n
112R 21
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 24/52)
Exemplo: Divisão de MNCExemplo: Divisão de MNCV
R I
Determine a corrente elétrica que passa por um resistor de (500,0 ± 1,0) sobre o qual foi medida uma queda de tensão de (150,0 ± 3,0) V.
RVI u(R) = 1,0/2,0 = 0,5 Ω
u(V) = 3,0/2,0 = 1,5 V
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Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 25/52)
Divisão Divisão -- ExemploExemploV
R I
A0,300500150
RVI
V = (150,0 ± 2*1,5) V
R = (500,0 ± 2*0,5)
222
Ru(R)
Vu(V)
Iu(I)
222
5000,5
1501,5
0,300u(I)
000001,00001,00,300u(I)
2
u(I) = 0,0030 A
I = (300 ±6) mA
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 26/52)
Caso Geral de MNCCaso Geral de MNC
),,,( 21 nXXXfG
22
22
2
11
2 )()()()(
n
n
XuXfXu
XfXu
Xf= Gu
iXf
= coeficiente de sensibilidade
Podem ser calculados analitica ou numericamente
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 27/52)
Na determinação da massa específica (Na determinação da massa específica (ρρ) de ) de um material usouum material usou--se um processo indireto, se um processo indireto, medindomedindo--se em um laboratório, com uma se em um laboratório, com uma balança, a massa (m) de um cilindro cujo balança, a massa (m) de um cilindro cujo diâmetro (D) e altura (h) foram determinados diâmetro (D) e altura (h) foram determinados por um micrômetro e um paquímetro por um micrômetro e um paquímetro respectivamente. Após a compensação dos respectivamente. Após a compensação dos erros sistemáticos, foram encontrados os erros sistemáticos, foram encontrados os seguintes resultados e os respectivos seguintes resultados e os respectivos números de graus de liberdade para cada números de graus de liberdade para cada grandeza de entrada:grandeza de entrada:
Exemplo: Caso Geral de MNCExemplo: Caso Geral de MNC
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Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 28/52)
Medições RealizadasMedições Realizadas
D
h
Para a massa: Para a massa: m = (1580 m = (1580 ±± 22) g22) gννm = 14m = 14
Para o diâmetro:Para o diâmetro:D = (25,423 D = (25,423 ±± 0,006) mm0,006) mmννD = ∞D = ∞
Para a altura:Para a altura:h = (77,35 h = (77,35 ±± 0,11) mm0,11) mmννh = 14h = 14
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 29/52)
Massa EspecíficaMassa Específica
D
h),,( hDmf =
Volm =
hD4m =
2
Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial - Capítulo 7 - (slide 30/52)
Considerando que as medições foram efetuadas em condições de laboratório e as componentes sistemáticas foram compensadas, é muito provável que as medidas das três grandezas sejam não correlacionadas.
A incerteza padrão associada a cada grandeza envolvida será calculada dividindo-se a incerteza expandida pelo coeficiente t de Student: