02 -introducao_a_metrologia

SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA DA UFPA
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
DISCIPLINA: USINAGEM DOS METAIS

INTRODUÇÃO
À
METROLOGIA
Professor: Eduardo de Magalhães Braga, Dr. Eng. 1


CONSIDERAÇÕES INICIAIS

A medição é uma operação antiqüíssima e de fundamental importância para
diversas atividades do ser humano. Na comunicação, por exemplo, toda vez que se
quantifica um elemento, se está medindo, isto é, comparando este elemento com
uma quantidade de referência conhecida pelo transmissor e receptor da
comunicação.

O resultado de uma medição é, em geral, uma estimativa do valor do objeto da
medição. Desta forma a apresentação do resultado é completo somente quando
acompanhado por uma quantidade que declara sua incerteza, ou seja, a dúvida
ainda existente no processo de medição.

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Do ponto de vista técnico, quando realizamos uma medição esperamos que ela
tenha exatidão (mais próxima do valor verdadeiro) e que apresente as
características de repetitividade (concordância entre os resultados de medições
sucessivas efetuadas sob as mesmas condições) e reprodutibilidade (concordância
entre os resultados das medições efetuadas sob condições variadas).

Também é necessário termos unidades de medidas definidas e aceitas
convencionalmente por todos. O Brasil segue as diretrizes da
Conferência Geral de Pesos e Medidas e adota as unidades definidas no SI -
Sistema Internacional de Unidades - como padrão para as medições.

Mas dependendo da área, outros sistemas de unidades podem ser empregados,
como o sistema inglês que ainda é muito difundido na área automotiva e na própria
usinagem dos metais, por exemplo.
3



Mesmo com isso, o valor a medir é sempre desconhecido, não existe uma forma
mágica de checar e afirmar que o número obtido de um sistema de medição
representa a grandeza sob medição (mensurando). Porém, existem alguns
procedimentos com os quais pode-se caracterizar e delimitar o quanto os erros
podem afetar os resultados, estes são chamados de calibração (feito por
institutos credenciados pelo INMETRO) e aferição (procedimentos executados
pelos próprios interessados e não necessitando de certificação e ambientes
extremamente controlados)

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Para calibrar uma balança
necessitamos de um
conjunto de massas padrão,
de modo a cobrir toda a faixa
da balança. Aplicando-se
diretamente a massa (com
valor conhecido de 5 kg, por
exemplo) sobre a balança,
podemos verificar se esta
está calibrada. 5



A calibração é uma oportunidade de aprimoramento constante e proporciona
algumas vantagens:

Redução na variação das especificações técnicas dos produtos: produtos
mais uniformes representam uma vantagem competitiva em relação aos
concorrentes;

Prevenção dos defeitos: a redução de perdas pela pronta detecção de desvios
no processo produtivo evita o desperdício e a produção de rejeitos;

Compatibilidade das medições: quando as calibrações possuem rastreabilidade
aos padrões nacionais e internacionais asseguram atendimento aos requisitos de
desempenho.

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Grandezas e Unidades
2.1 GRANDEZA (MENSURÁVEL)
Atributo de um fenômeno, corpo ou substância que pode ser qualitativamente
distinguido e quantitativamente determinado.

Observações:
1) O termo “grandeza” pode referir-se a uma grandeza em um sentido geral (veja
exemplo a) ou a uma grandeza específica (veja exemplo b).

Exemplos:
a) Grandezas em um sentido geral: comprimento, tempo, massa, temperatura,
resistência elétrica, concentração de quantidade de matéria;

b) Grandezas específicas: comprimento de uma barra; resistência elétrica de um
fio; concentração de etanol em uma amostra de vinho.

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2.1 GRANDEZA (MENSURÁVEL)
Atributo de um fenômeno, corpo ou substância que pode ser qualitativamente
distinguido e quantitativamente determinado.

Observações:
2) Grandezas que podem ser classificadas, uma em relação a outra, em ordem
crescente ou decrescente, são denominadas grandezas de mesma natureza.

3) Grandezas de mesma natureza podem ser agrupadas em conjuntos de
categorias de grandezas, por exemplo:
- Trabalho, calor, energia.
- Espessura, circunferência, comprimento de onda.

4) Os símbolos das grandezas são dados na norma ISO 31.

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2.2 UNIDADE (DE MEDIDA)
Grandeza específica, definida e adotada por convenção, com a qual outras
grandezas de mesma natureza são comparadas para expressar suas magnitudes
em relação àquela grandeza.

Observações:
1) Unidades de medida têm nomes e símbolos aceitos por convenção.

2) Unidades de grandezas de mesma dimensão podem ter os mesmos nomes e
símbolos, mesmo quando as grandezas não são de mesma natureza.

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2.2.1 SISTEMA
INTERNACIONAL DE MEDIDAS
- SI
sistema coerente de unidades adotado e recomendado pela Conferência Geral de
Pesos e Medidas (CGPM).

Observação:
O SI é baseado, atualmente, nas sete unidades de base seguintes:

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O SISTEMA DE MEDIÇÃO

É necessário o conhecimento das características metrológicas e operacionais de
um sistema de medição para sua correta utilização. Para tal, é necessária a
definição de alguns parâmetros para caracterizar de forma clara o seu
comportamento. Antes de iniciar tal estudo é conveniente classificar as partes que
compõem um sistema de medição típico e caracterizar os métodos de medição.

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3.1 Sistema Generalizado de Medição

A análise sistêmica de diversos sistemas de medição (SM) revela a existência de
três elementos funcionais bem definidos que se repetem com grande freqüência na
maioria dos sistemas de medição em uso. Em termos genéricos, um SM pode ser
dividido em três módulos funcionais: o sensor/transdutor, a unidade de
tratamento do sinal e o dispositivo mostrador. Cada módulo pode constituir uma
unidade independente ou pode estar fisicamente integrada ao SM. A figura 3.1
mostra genericamente este SM.

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Figura 3.1 - Sistema Generalizado de Medição



O transdutor é o módulo do SM que está em contato com o mensurando.

Gera um sinal proporcional (mecânico, pneumático, elétrico ou outro) ao
mensurando segundo uma função bem definida, normalmente linear, baseada em
um ou mais fenômenos físicos.

Em termos gerais, um transdutor transforma um efeito físico noutro.

Quando o transdutor é composto de vários módulos, várias transformações de
efeitos podem estar presentes.

O primeiro módulo do transdutor, aquele que entra em contato diretamente com o
mensurando, é também denominado de sensor.
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A rigor, o sensor é uma parte do transdutor.



O sinal gerado pelo sensor/transdutor normalmente é um sinal de baixa energia,
difícil de ser diretamente indicado.

A unidade de tratamento do sinal (UTS), além da amplificação da potência do sinal,
pode assumir funções de filtragem, compensação, integração, processamento, etc.

É às vezes chamada de condicionador de sinais.

Este módulo pode não estar presente em alguns SM mais simples.

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O dispositivo mostrador recebe o sinal tratado (amplificado, filtrado, etc) e através
de recursos mecânicos, eletro-mecânicos, eletrônicos ou outro qualquer,
transforma-o em um número inteligível ao usuário, isto é, produz uma indicação
direta perceptível.

Este módulo subentende também dispositivos registradores, responsáveis pela
descrição analógica ou digital do sinal ao longo do tempo ou em função de outra
grandeza independente.

São exemplos: registradores X-Y, X-T, gravadores de fita, telas de osciloscópios,
etc.

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A figura 3.2 exemplifica alguns SM's, onde são identificados estes elementos
funcionais.

A mola é o transdutor do dinamômetro da figura 3.2a: transforma a força em
deslocamento da sua extremidade, que é diretamente indicado através de um
ponteiro sobre a escala. Neste caso não há a unidade de tratamento de sinais.

O exemplo da figura 3.2b incorpora uma unidade deste tipo, composta pelo
mecanismo de alavancas: o pequeno deslocamento da extremidade da mola é
mecanicamente amplificado por meio da alavanca que, contra a escala, torna
cômoda a indicação do valor da força.

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A figura 3.2c representa-se um outro dinamômetro: o transdutor é composto de
vários módulos: a força é transformada em deslocamento por meio da mola, em
cuja extremidade está fixado um núcleo de material ferroso que, ao se mover,
provoca variação da indutância de uma bobina, que provoca um desbalanceamento
elétrico em um circuito, provocando uma variação de tensão elétrica proporcional.

Este sinal é amplificado pela UTS, composta de circuitos elétricos, e indicado
através de um dispositivo mostrador digital.

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Figura 3.2 - Três exemplos de Dinamômetros

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Exemplo: Um termômetro

Possui os três elementos funcionais.

1)A temperatura a medir é absorvida pelo fluído no interior do bulbo, que é o
transdutor deste sistema, e sofre variação volumétrica. Esta variação é
praticamente imperceptível a olho nu.

2)O tubo capilar do termômetro tem por finalidade amplificar este sinal,
transformando a variação volumétrica deste fluído em grande variação da coluna do
fluído, o que caracteriza a UTS (unidade de tratamento do sinal) deste sistema.

3)O mostrador é formado pela coluna do líquido contra a escala.
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Sensor/Transdutor

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Figura 3.3 -Elementos Funcionais de um Termômetro


3.2 Métodos Básicos de Medição
1 - Método da indicação (ou deflexão)

2 - Método da zeragem (ou compensação)

3 - O método diferencial (combinação entre 1 e 2)

4 - Análise comparativa entre os métodos

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3.2.1 - O método da indicação ou deflexão
Em um SM que opera segundo o método da indicação, a indicação direta é obtida
no dispositivo mostrador, seja este um mostrador de ponteiro, indicador digital ou
registrador gráfico, à medida em que o mensurando é aplicado sobre este SM.

São inúmeros os exemplos de SM que operam por este princípio: termômetros de
bulbo ou digitais, manômetros e ou balanças com indicação analógica ou digital,
balança de mola, etc. (fig. 3.4)

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Figura 3.4 - Medição pelo Método da Indicação


3.2.2 - O método da zeragem ou compensação

No método da zeragem, procura-se gerar uma grandeza padrão com valor
conhecido, equivalente e oposto ao mensurando, de forma que as duas, atuando
sobre um dispositivo comparador, indiquem diferença zero.

A balança de prato é um exemplo clássico de SM que opera por este princípio:
procura-se formar em um dos pratos uma combinação de massas padrão que
tendem a contrabalançar a massa desconhecida colocada no outro prato. Ambas
massas são equivalentes quando a balança atingir o equilíbrio (fig. 3.5).

Uma variante deste método é a medição por substituição. Neste caso, substitui-se o
mensurando por um elemento que tenha seu valor conhecido e que cause no SM o
mesmo efeito que o mensurando. Quando estes efeitos se igualam, assume-se que
o valores destas grandezas também são iguais. 27


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3.2.3 - O método diferencial

O método de medição diferencial resulta da combinação dos dois métodos
anteriores. O mensurando é comparado a uma grandeza padrão e sua diferença
medida por um instrumento que opera segundo o método da indicação.
Normalmente o valor da grandeza padrão é muito próximo do mensurando de forma
que a faixa de medição do instrumento que opera por indicação pode ser muito
pequena. Como conseqüência, seu erro máximo pode vir a ser muito reduzido sem
que seu custo se eleve.

A incerteza da grandeza padrão geralmente é muito baixa o que resulta em um
sistema de medição com excelente estabilidade e desempenho metrológico, sendo
de grande utilização na indústria.

A medição do diâmetro por meio do relógio comparador da figura 3.6 é um
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exemplo de medição diferencial.


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Figura 3.6 - Operação de Medição


3.2.4 - Análise comparativa

Comparativamente, cada método possui vantagens e desvantagens. Na balança de
mola, por exemplo, a incerteza do SM depende da calibração da mola, ao passo em
que, na balança de prato, depende da incerteza das massas padrão. Como a
confiabilidade e estabilidade das massas padrão é geralmente melhor que a da
mola, pode-se afirmar que normalmente a incerteza do método de zeragem é
menor que a da indicação.

A principal desvantagem do método de zeragem é a velocidade de medição que é
sensivelmente inferior, uma vez que deve-se modificar a grandeza padrão até que o
zero seja atingido, o que torna o SM que usa este método inadequado para
aplicações dinâmicas.

A medição diferencial apresenta características que a coloca em uma posição muito
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atrativa, sendo de fato muito adotada na indústria.


3.2.4 - Análise comparativa

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Instrumentos de Medição

Dispositivo utilizado para uma medição, sozinho ou em conjunto com dispositivo(s)
complementar(es)

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Paquímetro
Utilizado em medidas internas, externas, de profundidade e de ressaltos. Trata-se
do tipo mais usado

A B C D 35
interna de ressalto Externo de profundidade



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Relógio comparador
O relógio comparador é um instrumento de medição por comparação,dotado de
uma escala e um ponteiro, ligados por mecanismos diversos a uma ponta de
contato. Quando a ponta de contato sofre uma pressão e o ponteiro gira em
sentido horário, a diferença é positiva. Isso significa que a peça apresenta maior
dimensão o que a estabelecida. Se o ponteiro girar em sentido anti-horário, a
diferença será negativa, ou seja, a peça apresenta menor dimensão que a
estabelecida.

Existem vários modelos de relógios comparadores. Os mais utilizados possuem
resolução de 0,01 mm. O curso do relógio também varia de acordo com o modelo,
porém os mais comuns são de 1 mm, 10 mm, 0,250” ou 1".

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Condições de Uso
Antes de medir uma peça, devemos nos certificar de que o relógio se encontra em
boas condições de uso.

A verificação de possíveis erros é feita da seguinte maneira: com o auxílio de um
suporte de relógio, tomam-se as diversas medidas nos blocos-padrão. Em seguida,
deve-se observar se as medidas obtidas no relógio correspondem às dos blocos.
São encontrados também calibradores específicos para relógios comparadores.

Observação: Antes de tocar na peça, o ponteiro do relógio comparador fica em
uma posição anterior a zero. Assim, ao iniciar uma medida, deve-se dar uma pré-
carga para o ajuste do zero.

Colocar o relógio sempre numa posição perpendicular em relação à peça, para não
incorrer em erros de medida.
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Aplicações dos relógios comparadores

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Micrômetro
Princípio de funcionamento

O princípio de funcionamento do micrômetro assemelha-se ao do sistema parafuso
e porca. Assim, há uma porca fixa e um parafuso móvel que, se der uma volta
completa, provocará um descolamento igual ao seu passo.

Desse modo, dividindo-se a “cabeça” do parafuso, pode-se avaliar frações menores
que uma volta e, com isso, medir comprimentos menores do que o passo do
parafuso.

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Nomenclatura

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Principais Componentes de um Micrômetro

O arco é constituído de aço especial ou fundido, tratado termicamente para eliminar
as tensões internas.

O isolante térmico, fixado ao arco, evita sua dilatação porque isola a transmissão
de calor das mãos para o instrumento.

O fuso micrométrico é construído de aço especial temperado e retificado para
garantir exatidão do passo da rosca.

As faces de medição tocam a peça a ser medida e, para isso, apresentam-se
rigorosamente planos e paralelos. Em alguns instrumentos, os contatos são de
metal duro, de alta resistência ao desgaste.

A porca de ajuste permite o ajuste da folga do fuso micrométrico, quando isso é
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necessário.


Principais Componentes de um Micrômetro

O tambor é onde se localiza a escala centesimal. Ele gira ligado ao fuso
micrométrico. Portanto, a cada volta, seu deslocamento é igual ao passo do fuso
micrométrico.

A catraca ou fricção assegura uma pressão de medição constante.

A trava permite imobilizar o fuso numa medida predeterminada .

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Alguns Outros
Instrumentos

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Considerações
Finais
Como se pode ver por esta aula, existe uma
preocupação muito grande quanto ao conhecimento e
aplicação das técnicas e manipulação dos
equipamentos de medição, com o objetivo de se
conseguir valores confiáveis e, assim, obter peças
com dimensões nos padrões exigidos.

Ou seja, a metrologia é uma importante ferramenta
que é necessária nas mais diversas áreas das
ciências e atividades produtivas, na usinagem 63dos
metais não seria diferente.


Bibliografias
• ABREU FILHO, Carlos. Tornearia Mecânica – Notas de
Aula, Belém, 2007.

• AGOSTINHO, Oswaldo Luis. VILELLa, Ronaldo Castro
(In Memoriam), BUTTON, Sérgio Tonini. Processos de
Fabricação e Planejamento de Processos. Universidade
Estadual de Campinas - Faculdade de Engenharia
Mecânica - Departamento de Engenharia de Fabricação -
Departamento de Engenharia de Materiais. Campinas, SP.
2004

• BRAGA, Paulo Sérgio Teles, CPM - Programa de
Certificação de Pessoal de Manutenção – Mecânica -
Processos de Fabricação, SENAI/CST, Vitória, ES. 1999.

• COSTA, Éder Silva & SANTOS, Denis Júnio. Processos
64
de Usinagem. CEFET-MG. Divinópolis, MG. março de 2006


Bibliografias
• DINIZ, A. E., Tecnologia da Usinagem dos Materiais. 3 ed.
São Paulo: Artliber Editora, 2003.

• FERRARESI, Dino. Fundamentos da Usinagem dos
Metais. Editora Edgard Blücher LTDA. São Paulo, SP,
1977

• INMETRO. SISTEMA Internacional de Unidades – SI
(tradução da 7ª edição do original francês “Le Système
International d’Unités”, elaborada pelo Bureau International
des Poids et Mesures - BIPM). 8ª edição Rio de Janeiro,
2003. 116 p.

• INMETRO. Vocabulário Internacional de Termos
Fundamentais e Gerais de Metrologia – VIM – Portaria
Inmetro 029 de 1995. 3ª edição, Rio de Janeiro, 2003. 75p.
65
• reimpressão.


Bibliografias
• PALMA, Flávio. Máquinas e Ferramentas. Apostila,
SENAI-SC, Blumenau, 2005.

• SECCO, Adriano Ruiz; VIEIRA, Edmur & GORDO, Nívia.
Módulos Instrumentais – Metrologia. Telecurso 2000. São
Paulo, SP, 2007

• VAN VLACK, L. H., Princípios da Ciência e Tecnologia dos
Materiais. Tradução Edson Carneiro. Rio de Janeiro:
Elsevier, 1970 – 4ª reimpressão.

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