Medições e incertezas

Multímetro, placa de protótipos, tolerâncias, propagação de incertezas e ajuste de dados.

TLDR

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Uma leitura do multímetro é uma estimativa. Para comparar com o modelo, precisamos de saber o circuito realmente montado, o efeito do instrumento e a incerteza da medição.

Montar e medir

Antes de alimentar uma placa de protótipos, identifica os contactos ligados internamente. Em placas comuns, cada grupo de cinco furos da mesma linha está ligado; a ranhura central separa os lados. Os carris de alimentação podem estar interrompidos a meio. Confirma continuidade com o circuito desligado, em vez de assumir que toda uma linha é um único nó.

O voltímetro liga-se em paralelo. A sua resistência de entrada elevada reduz, mas não elimina, o efeito sobre o circuito. O amperímetro liga-se em série e tem resistência pequena. Ligá-lo em paralelo com uma fonte pode provocar um curto. Para medir resistência, desliga a alimentação, descarrega condensadores e isola a resistência quando outros caminhos alteram a leitura.

Escolhe a grandeza, DC ou AC, os terminais de prova e uma escala adequada antes de ligar. Começa pela escala maior se desconheces o valor. Consulta os limites e a proteção de cada terminal no instrumento utilizado. Estes ensaios destinam-se a fontes de baixa tensão de laboratório; não experimentes ligações à rede elétrica.

Para relacionar uma montagem na placa de protótipos com os nós e caminhos do esquema, podes consultar este vídeo sobre componentes e topologia de circuitos. As instruções de medição e segurança mantêm-se no texto acima.

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Exemplo: efeito do voltímetro

Um divisor de 1 MΩ+1 MΩ1\,\mathrm{M\Omega}+1\,\mathrm{M\Omega} alimentado a 10 V10\,\mathrm V daria 5 V5\,\mathrm V sem carga. Um voltímetro de 10 MΩ10\,\mathrm{M\Omega} em paralelo com o resistor inferior dá R2′=1∥10=10/11 MΩR_2'=1\parallel10=10/11\,\mathrm{M\Omega}. A leitura prevista é

u=1010/111+10/11=10021=4,762 V.u=10\frac{10/11}{1+10/11}=\frac{100}{21}=4{,}762\,\mathrm V.

O desvio de cerca de 4,8%4{,}8\% é efeito de carga, não necessariamente um instrumento avariado.

Código de cores e tolerância

Numa resistência de quatro bandas, as duas primeiras são dígitos, a terceira é o multiplicador 10m10^m e a quarta indica tolerância. Os dígitos preto, castanho, vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, violeta, cinzento e branco correspondem a 00 até 99. Dourado e prateado dão multiplicadores 10−110^{-1} e 10−210^{-2}, ou tolerâncias de 5%5\% e 10%10\% quando são a última banda.

Por exemplo, vermelho, violeta, castanho, dourado significa 27×101=270 Ω27\times10^1=270\,\Omega, com tolerância 5%5\%, ou intervalo nominal de 256,5256{,}5 a 283,5 Ω283{,}5\,\Omega. Em cinco bandas, usam-se três dígitos antes do multiplicador. Tolerância de fabrico não é automaticamente uma incerteza padrão: se modelares o intervalo como uniforme com semilargura aa, a incerteza padrão é a/3a/\sqrt3.

Média, dispersão e incerteza

Para nn observações xix_i, a média e o desvio padrão amostral são

xˉ=1n∑ixi,s=∑i(xi−xˉ)2n−1.\bar x=\frac1n\sum_i x_i,\qquad s=\sqrt{\frac{\sum_i(x_i-\bar x)^2}{n-1}}.

ss estima a dispersão de uma observação. Para observações independentes do mesmo valor, a incerteza padrão da média é uA(xˉ)=s/nu_A(\bar x)=s/\sqrt n. Não substituas uma pela outra sem dizer o que estás a apresentar.

Incertezas de tipo A são avaliadas por observações estatísticas; as de tipo B usam outras informações, como calibração, resolução e especificações. A resolução não é toda a incerteza do aparelho.

Para uma especificação de multímetro do tipo ±(a% leitura+n dıˊgitos)\pm(a\%\text{ leitura}+n\text{ dígitos}), calcula a%×leituraa\%\times\text{leitura} e soma nn vezes a resolução da escala usada. Por exemplo, 3,300 V3{,}300\,\mathrm V numa escala de 4 V4\,\mathrm V com ±(0,5%+2 dıˊgitos)\pm(0{,}5\%+2\text{ dígitos}) e resolução 1 mV1\,\mathrm{mV} dá 0,0165+0,002=0,0185 V0{,}0165+0{,}002=0{,}0185\,\mathrm V. Distingue este intervalo de especificação da dispersão das tuas leituras.

Uma diferença face ao valor de referência é um erro de medição. Um efeito sistemático pode deslocar todas as leituras e não desaparecer ao repetir. Pequena dispersão não prova exatidão. Uma incerteza padrão não garante que o valor está dentro de um intervalo; com modelo normal, o intervalo de uma incerteza padrão tem cobertura aproximada de 68%68\%.

Propagação de incertezas

Para y=f(x1,…,xn)y=f(x_1,\ldots,x_n), incertezas pequenas e entradas não correlacionadas,

u(y)2=∑i(∂f∂xi)2u(xi)2.u(y)^2=\sum_i\left(\frac{\partial f}{\partial x_i}\right)^2u(x_i)^2.

Com correlação, acrescentam-se os termos de covariância. Derivadas trigonométricas usam ângulos em radianos.

Para P=RI2P=RI^2, as derivadas são I2I^2 e 2RI2RI, logo

u(P)P=(u(R)R)2+4(u(I)I)2.\frac{u(P)}P=\sqrt{\left(\frac{u(R)}R\right)^2+ 4\left(\frac{u(I)}I\right)^2}.

Se R=(100±1) ΩR=(100\pm1)\,\Omega e I=(0,0200±0,0002) AI=(0{,}0200\pm0{,}0002)\,\mathrm A, com incertezas padrão independentes, P=0,0400 WP=0{,}0400\,\mathrm W e u(P)/P=0,012+0,022=0,0224u(P)/P=\sqrt{0{,}01^2+0{,}02^2}=0{,}0224. Apresentamos P=(40,0±0,9) mWP=(40{,}0\pm0{,}9)\,\mathrm{mW}, indicando que a incerteza é padrão. Reduzir a incerteza relativa da corrente pode ser mais útil, porque entra multiplicada por dois.

Repartir o esforço de medição

Para P=RI2P=RI^2, compara incertezas relativas, não números absolutos em ohms e amperes, porque as unidades não se comparam. Se podes obter incertezas relativas de 1%1\% e 2%2\%, há duas escolhas:

u(R)/Ru(R)/Ru(I)/Iu(I)/Iu(P)/Pu(P)/P
1%1\%2%2\%12+4(22)%=4,12%\sqrt{1^2+4(2^2)}\%=4{,}12\%
2%2\%1%1\%22+4(12)%=2,83%\sqrt{2^2+4(1^2)}\%=2{,}83\%

Neste cenário, vale mais atribuir a melhor precisão relativa à corrente. O expoente dois duplica a sua sensibilidade relativa. A escolha não elimina a contribuição da resistência e depende de os custos permitirem precisamente esta troca. Comparar u(R)u(R) e u(I)u(I) diretamente nem sequer compara grandezas com a mesma unidade.

Ajustar uma reta

Para y=ax+by=ax+b, mínimos quadrados ordinários minimizam a soma dos quadrados dos resíduos verticais. O modelo estatístico simples assume incerteza em xx desprezável, dispersão de yy igual entre pontos e resíduos independentes. Se as incertezas em yy diferirem, considera pesos; se as de xx forem relevantes, o ajuste ordinário pode ser inadequado.

As fórmulas sem pesos são

a=∑(xi−xˉ)(yi−yˉ)∑(xi−xˉ)2,b=yˉ−axˉ.a=\frac{\sum(x_i-\bar x)(y_i-\bar y)}{\sum(x_i-\bar x)^2}, \qquad b=\bar y-a\bar x.

Medimos quatro pares de corrente e tensão. Ajustamos U=RI+bU=RI+b: o declive tem unidade V/A=Ω\mathrm{V/A}=\Omega e a ordenada bb mede-se em volts.

II (mA)UU (V)Resíduo (V)
10101,0201{,}020+0,010+0{,}010
20202,0002{,}000−0,010-0{,}010
30303,0003{,}000−0,010-0{,}010
40404,0204{,}020+0,010+0{,}010

As médias são Iˉ=0,025 A\bar I=0{,}025\,\mathrm A e Uˉ=2,510 V\bar U=2{,}510\,\mathrm V. Nas fórmulas do ajuste, o numerador vale 0,0500 A V0{,}0500\,\mathrm{A\,V} e o denominador 0,000500 A20{,}000500\,\mathrm{A^2}. Assim,

R=0,05000,000500=100 Ω,b=2,510−100(0,025)=0,010 V.R=\frac{0{,}0500}{0{,}000500}=100\,\Omega,\qquad b=2{,}510-100(0{,}025)=0{,}010\,\mathrm V.
Resíduos do ajuste U = 100I + 0,010A 10 e 40 miliamperes, o resíduo é mais 0,010 volt. A 20 e 30 miliamperes, é menos 0,010 volt. Todos os pontos estão igualmente afastados da linha de resíduo zero.Resíduo (V)+0,0100−0,010I (mA)10203040
As barras ligam cada resíduo à linha zero. Representam o desvio observado, sem atribuir uma incerteza que estes dados não fornecem.

O resíduo é Ui−(RIi+b)U_i-(RI_i+b). No gráfico, os dois pontos extremos ficam acima da reta e os dois centrais abaixo. Os desvios são pequenos, mas estes quatro pontos não bastam para decidir se a curvatura é física ou uma flutuação. A ordenada não nula pode sugerir um offset; também não prova a sua causa. Para a investigar, mede mais pontos e verifica o zero do instrumento.

Num gráfico científico, identifica grandezas e unidades nos eixos, mostra uma gama útil e inclui incertezas quando disponíveis.

Monte Carlo pode propagar modelos de incerteza gerando conjuntos sintéticos e repetindo o ajuste; a dispersão dos parâmetros ajustados estima a sua incerteza. Usa um número de simulações suficiente e explicita a distribuição assumida, em vez de tratar o resultado aleatório como exato.

Medições magnéticas

Um magnetómetro de telemóvel mede componentes no referencial do aparelho. Rodar o telemóvel muda as componentes mesmo se o campo exterior não mudar. Para comparar duas situações, mantém posição e orientação, afasta fontes magnéticas próximas e regista uma série de leituras. Um desvio de calibração não desaparece ao calcular a média.

Para estimar a corrente num fio longo, compara o campo com e sem corrente e usa a componente devida ao fio. Se a diferença de campo tangencial for 20 μT20\,\mathrm{\mu T} a 0,50 m0{,}50\,\mathrm m, a aproximação de fio infinito dá I=2πrB/μ0≃50 AI=2\pi rB/\mu_0\simeq50\,\mathrm A. A presença de retorno da corrente, outros fios e a orientação desconhecida podem impedir esta estimativa. Não uses diretamente o módulo total, que pode incluir o campo terrestre.

Exercícios

Propagar R e I

Medimos R=(100±1) ΩR=(100\pm1)\,\Omega e I=(0,100±0,002) AI=(0{,}100\pm0{,}002)\,\mathrm A, com incertezas padrão independentes. Calcula a incerteza padrão da potência P=RI2P=RI^2, em watts.

Pista

Primeiro calcula P e as incertezas relativas.

Solução

u(P)=10,012+4(0,02)2=0,0412 Wu(P)=1\sqrt{0{,}01^2+4(0{,}02)^2}=0{,}0412\,\mathrm W. A contribuição da corrente tem peso duplo na incerteza relativa, devido ao expoente dois.

Erros frequentes

Não somes incertezas relativas diretamente para entradas independentes sob este modelo. Não esqueças o fator dois da corrente.

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Uma leitura ou a média de leituras

Dezasseis leituras independentes têm desvio padrão amostral s=0,20 Vs=0{,}20\,\mathrm V. Que incerteza de tipo A atribuis à média? Repetir elimina um offset constante do instrumento?

Pista

A média combina observações independentes; não é uma única observação.

Solução

A incerteza padrão de tipo A da média é 0,05 V0{,}05\,\mathrm V. O desvio das observações continua estimado por 0,20 V0{,}20\,\mathrm V. Um offset constante não desaparece na média e exige correção ou avaliação adicional.

Confere a tua resposta:

  • Distingue desvio padrão de uma observação e incerteza da média.
  • Obtém s/√n = 0,05 V.
  • Explica que repetição não elimina desvios sistemáticos.

Erros frequentes

Não chames s e s/√n à mesma quantidade, nem uses pequena dispersão como prova de ausência de erro sistemático.

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Incerteza pela especificação do multímetro

Uma leitura 3,300 V3{,}300\,\mathrm V usa escala de 4 V4\,\mathrm V com especificação ±(0,5%+2 dıˊgitos)\pm(0{,}5\%+2\text{ dígitos}) e resolução 1 mV1\,\mathrm{mV}. Calcula a parcela da especificação em volts.

Pista

Soma percentagem da leitura com dígitos vezes resolução.

Solução

Dá 0,0165+0,002=0,0185 V0{,}0165+0{,}002=0{,}0185\,\mathrm V. É a semilargura do intervalo de especificação, não ainda uma incerteza padrão. Se assumirmos uma distribuição uniforme nesse intervalo, a incerteza padrão de tipo B é 0,0185/3≃0,0107 V0{,}0185/\sqrt3\simeq0{,}0107\,\mathrm V.

Erros frequentes

Usar só a resolução como incerteza total ignora a percentagem da leitura exigida pelo fabricante.

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Onde compensa medir melhor?

Pretendes estimar P=RI2P=RI^2 com incertezas padrão pequenas e independentes. O equipamento permite uma de duas escolhas: u(R)/R=1%u(R)/R=1\% e u(I)/I=2%u(I)/I=2\%, ou u(R)/R=2%u(R)/R=2\% e u(I)/I=1%u(I)/I=1\%.

Qual dá menor incerteza relativa na potência? Justifica com a propagação. Seria válido comparar diretamente u(R)=1 Ωu(R)=1\,\Omega e u(I)=0,01 Au(I)=0{,}01\,\mathrm A para decidir qual é menor?

Pista

Calcula a sensibilidade relativa de PP a cada entrada.

Solução

A relação é u(P)/P=[u(R)/R]2+4[u(I)/I]2u(P)/P=\sqrt{[u(R)/R]^2+4[u(I)/I]^2}. A primeira escolha dá 12+4(22)%=17%≃4,12%\sqrt{1^2+4(2^2)}\%=\sqrt{17}\%\simeq4{,}12\%. A segunda dá 22+4(12)%=8%≃2,83%\sqrt{2^2+4(1^2)}\%=\sqrt8\%\simeq2{,}83\%.

Compensa dar a melhor precisão relativa à corrente, cuja sensibilidade relativa tem fator dois. Isso só responde às duas escolhas apresentadas, não a todos os custos possíveis de uma medição.

As incertezas absolutas em ohms e amperes têm unidades diferentes. Para usar a expressão relativa, teríamos ainda de conhecer RR e II e formar as duas razões adimensionais.

Confere a tua resposta:

  • Compara incertezas relativas, preservando a independência.
  • Obtém √17 % e √8 % para as duas escolhas.
  • Atribui 1 % à corrente e justifica pelo expoente dois.
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