Instruções MSWord - labmetro

Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial
Calibração Direta de Voltímetro Digital
1.
Apresentação
Três elementos estão disponíveis no ambiente virtual:

Voltímetro digital a ser calibrado

Fonte de tensão padrão

Calculadora estatística.
1.1. Voltímetro digital
É um voltímetro digital que mede e indica continuamente o valor da tensão elétrica
aplicada sobre seus terminais. Está configurado para indicar tensões entre -20 V e +20 V.
Apresenta erros sistemáticos e aleatórios. A indicação digital não repete em função da
presença de erros aleatórios. A Figura 1 mostra seu aspecto.
Figura 1 –Voltímetro digital.
1.2. Fonte de tensão padrão
A fonte de tensão padrão é mostrada na Figura 2. Contém um teclado que permite aplicar
qualquer valor de tensão entre -20,000 V e +20,000 V. Valores que excedem a estes
limites são automaticamente truncados. A incerteza expandida da fonte de tensão padrão
é da ordem de ±0,001 V.
Figura 2 – Fonte de tensão padrão.
Além das teclas numéricas (0 a 9) e do separador decimal, que permitem introduzir o
valor de tensão desejada, o teclado contém ainda:
(a) Tecla “+/-”
Quando pressionada inverte o sinal da tensão aplicada, alternando entre valores de tensão
positivos e negativos.
(b) Tecla “C”
Limpa o valor da tensão gerada permitindo que novos valores sejam digitados.
1.3. Calculadora estatística
A Figura 3 mostra os principais elementos da calculadora estatística.
número de medições
média
área de dados
desvio padrão
zera tudo
efetua nova
medição
Figura 3 - Elementos da calculadora estatística.
(a) Botão “Mede”
Uma nova medição é realizada cada vez que o botão “Mede” é clicado com o mouse ou o
“Enter” é pressionado quando o foco está sobre o botão “Mede”. O correspondente valor
da indicação ocupa a primeira linha da área de dados, deslocando uma linha para baixo os
demais dados anteriormente adquiridos.
A contagem do número de medições efetuadas é atualizada, bem como são calculadas
estimativas para a média e desvio padrão com base nos dados adquiridos.
(b) Botão “Zera”
O botão “Zera” apaga todos os dados existentes e deixa a calculadora pronta para iniciar
nova série de medições.
(c) Área de Dados
Os dados da área de dados podem ser selecionados e copiados através de <Ctrl> + “C” e
transportados para outro programa através do “clipboard”.
(d) Posicionamento da Calculadora
A calculadora pode ser arrastada para qualquer lugar na tela para evitar oclusão de área
de interesse.
2.
Operação do Ambiente Virtual
O ambiente virtual é mostrado na Figura 4. A fonte de tensão padrão está conectada ao
voltímetro digital. A tensão gerada pela fonte é instantânea e repetidamente medida e
indicada pelo voltímetro digital. Os valores indicados pelo voltímetro digital são
adquiridos para a calculadora estatística cada vez que o botão “Mede” é clicado.
Figura 4 - Programa em operação.
3.
Atividades
3.1. Erro aleatório
Ajuste a fonte de tensão padrão para gerar 10,000 V. Meça repetidamente a tensão com o
voltímetro digital pelo menos 100 vezes. Verifique que há variações nas indicações
obtidas em função do erro aleatório. Com base no desvio padrão das indicações obtidas e
no respectivo coeficiente “t” de Student calcule a repetitividade para 95% de nível de
confiança.
3.2. Tendência e correção
(a) Utilize o mesmo conjunto de pelo menos 100 indicações resultantes da medição
repetida da tensão de 10,000 V realizada na questão 3.1. Utilize o valor médio e calcule a
tendência do voltímetro digital para a tensão de 10,000 V. Calcule também a correção.
(b) Zere a calculadora e faça pelo menos 100 medições repetidas da tensão de -10,000 V.
Calcule a tendência e a correção. Compare com os valores obtidos para a tensão de
+10.000 V. Por que são diferentes?
(c) Neste item considere despresível a incerteza da fonte de tensão. Para a tensão de
10,000 V determine a tendência do voltímetro digital e sua incerteza quando:

é calculada a partir da média de 100 medições repetidas.

é calculada a partir da média de 16 medições repetidas.

é calculada a partir da média de 4 medições repetidas.
Verifique graficamente a consistência dos valores obtidos. Serão consistes se as faixas
obtidas para os valores das tendências e suas respectivas incertezas resultarem em regiões
que se interceptam.
3.3. Calibração do voltímetro digital
Faça uma calibração do voltímetro digital com a intenção de compensar erros
sistemáticos em futuras medições. Planeje detalhadamente a calibração seguindo os
passos do roteiro abaixo:
1 - Identifique claramente os objetivos da calibração.
2 - Caracterize o sistema de medição a calibrar.
3 - Selecione os padrões a usar.
4 - Defina os pontos de calibração e o número de repetições a serem realizadas para
cada ponto de calibração. Use pelo menos dez pontos de calibração bem distribuídos
ao longo da faixa de medição. Planeje passo a passo o experimento. Prepare as
planilhas que conterão os dados brutos da calibração.
5 - Execute a calibração conforme o roteiro planejado.
6 - Processe e documente os resultados. Trace a curva de erros da balança contendo a
linha da tendência e as linhas que delimitam a região dentro do qual o erro de
medição é esperado.
7 - Analise os resultados da calibração e estime o erro máximo.
8 - Apresente tudo no relatório de calibração.
3.4. Determinação de uma tensão conhecida
Regule a fonte padrão para uma tensão que não coincida com um dos pontos de
calibração da questão anterior.
(a) Meça a tensão com o voltímetro digital apenas uma vez e determine o resultado da
medição usando dados da curva de erros determinada na questão 3.3. Faça interpolações
se necessário. Verifique se o valor de referência (nominal) gerado pela fonte padrão
encontra-se dentro da faixa que representa o resultado da medição.
(b) Meça a mesma tensão com o voltímetro digital pelo menos vinte vezes e determine o
resultado da medição usando dados da curva de erros resultante da questão 3.3. Faça
interpolações se necessário. Verifique se o valor de referência (nominal) gerado pela
fonte padrão encontra-se dentro da faixa que representa o resultado da medição.
(c) Meça a mesma tensão o número de vezes que você quiser e determine o resultado da
medição usando apenas o erro máximo encontrado na questão 3.3. Verifique se o valor de
referência (nominal) gerado pela fonte padrão encontra-se dentro da faixa que representa
o resultado da medição.
(d) Compare graficamente os três resultados anteriores. Os três são consistentes?
3.5. Determinação da soma de tensões
(a) Regule a fonte de tensão para 6,350 V. Meça esta tensão com o voltímetro digital
repetidas vezes e, usando a curva de calibração, compense os erros sistemáticos e
determine o resultado da medição.
(b) Regule a fonte de tensão para 3,650 V. Meça esta tensão com o voltímetro digital
repetidas vezes e, usando a curva de calibração, compense os erros sistemáticos e
determine o resultado da medição.
(c) Com base nos resultados das questões (a) e (b), calcule analiticamente o resultado da
medição da soma das duas tensões e sua respectiva incerteza. Como os erros sistemáticos
foram compensados, considere as medições estatisticamente independentes.
(d) Regule a fonte de tensão para 10,000 V. Meça esta tensão com o voltímetro digital
repetidas vezes e, usando a curva de calibração, compense os erros sistemáticos e
determine o resultado da medição. Compare este resultado com o determinado no item
(c).