CENTRO TECNOLÓGICO
ESCOLA DE ENGENHARIA
MESTRADO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
LUIZ CARLOS GOMES DOS SANTOS
PADRONIZAÇÃO E DISSEMINAÇÃO DO
VOLT:
O CASO BRASILEIRO
NITERÓI
1999
LUIZ CARLOS GOMES DOS SANTOS
PADRONIZAÇÃO E DISSEMINAÇÃO DO VOLT: O CASO BRASILEIRO
Dissertação apresentada no Curso de Pós-graduação em Engenharia de Produção da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre. Área de concentração: Tecnologia, Qualidade e Produtividade.
Orientadora: Profª. Drª. Léa Contier de Freitas
NITERÓI 1999
DEDICATÓRIA
À minha família (esposa e filhos), pelo
tempo deles roubado para o
desenvolvimento deste trabalho.
À meus pais, pelos exemplos de luta e perseverança e pela dedicação, carinho e ensinamentos que foram fundamentais na minha formação.
AGRADECIMENTOS
À Dr.ª Léa, minha orientadora e companheira de luta pela causa da Metrologia, pelo incentivo e apoio e pelas reflexões críticas e competentes.
À Rita, pela dedicação, paciência e pelas importantes contribuições.
Aos colegas da DIELE/DIMCI/INMETRO, em particular à equipe do LATCE pelo apoio e colaboração.
Ao Dr. Maurício Frota, Presidente da Sociedade Brasileira de Metrologia, meu diretor durante quase todo o transcurso deste trabalho, pelo apoio e incentivo.
Ao INMETRO, por me proporcionar a chance de um grande desenvolvimento pessoal e profissional.
Aos professores do Departamento de Pós Graduação em Engenharia de Produção da Universidade Federal Fluminense, à seus funcionários e em particular aos professores Vinicius Arienti, Waldimir Longo, Helder Costa e Rubens Gutierrez, pelos ensinamentos que me permitiram realizar este trabalho.
EPÍGRAFE
“É possível supor que a metrologia seja tão fundamental nas nossas vidas quanto é o ar que respiramos, pois, em ambos os casos, somente percebemos sua verdadeira importância, quando nos falta”. (Prof. Giorgio Moscati, palestra proferida em 24/05/94 na Escola de Engenharia da UFF)
RESUMO
O presente trabalho teve como objetivo principal desenvolver um método que proporcionasse maior eficiência nos processos de transferência, manutenção e disseminação do volt, realizados no INMETRO, acompanhado da avaliação das contribuições de incertezas. A partir deste método foi possível, em um primeiro momento, reduzir-se a incerteza relativa final associada à calibração dos padrões dos laboratórios credenciados de 2 ppm para 0,5 ppm, aproximadamente. Com a recente implantação do sistema de padronização primária de tensão baseado no efeito Josephson, os dados iniciais demonstram que será possível reduzir esta incerteza para valores abaixo de 0,1 ppm, atendendo desta forma à grande demanda existente no país por níveis de incerteza menores do que aqueles praticados pelo INMETRO na calibração de pilha padrão e de padrões de tensão baseados no diodo zener (“pilha eletrônica”). Foram analisados dados relativos à calibração do padrão de transferência do INMETRO no BIPM, em novembro de 97, assim como a utilização deste mesmo padrão em uma intercomparação entre o Sistema Josephson do INMETRO e do NIST (EUA), realizada em setembro/outubro de 99. São também apresentados os resultados das manutenções do volt realizadas nos últimos dois anos e as calibrações de padrões (pilha padrão, pilha eletrônica 732A e pilha eletrônica 732 B) de clientes nos últimos anos para evidenciar a diminuição da incerteza e o aperfeiçoamento das informações prestadas. O trabalho apresenta, ainda, a contextualização histórica que culminou com a assinatura da Convenção do Metro e a evolução da padronização do volt. Apresenta a estrutura metrológica mundial e brasileira, os conceitos metrológicos mais relevantes e a hierarquia da disseminação do volt.
ABSTRACT
The present work aimed at developing a method with which it would be possible to achieve better performance on the transfer, maintenance and dissemination of the volt, the SI unit for electric potential difference accomplished by INMETRO, accompanied by the evaluation of the uncertainty contributions. Using this method it was possible to reduce the final relative uncertainty associated with the calibration of standards from accredited laboratories, from ±2 ppm to ±0,5 ppm, approximately. Upon the recent implementation of the primary voltage standard system based on the Josephson effect, initial data show that it will be possible to reduce uncertainty to values below 0,1 ppm, thus meeting the great existing demand in our country for smaller uncertainty levels than those practiced by INMETRO in the calibration of the Standards Cells and of Zener diodes (electronics cells). Data obtained in the calibration of INMETRO’S Transfer Standard in BIPM, in November 1997, were analyzed. The same Transfer Standard was used in a comparison with the Josephson effect system at NIST (USA), in September/October 1999. The results of maintenance of the volt accomplished in the last two years and calibration of standards (standard cell, electronic cell 732A, electronics cell 732 B) belonging to customers over the part three or four year are presented. This work also presents the historical process that culminated with the signature of the Convention of the Meter and the evolution of the volt standard. It present metrological structures in the world and Brazil also, besides the most important metrological concepts and the hierarchy of the volt dissemination.
SUMÁRIO
1 – INTRODUÇÃO ... 18
1.1 – APRESENTAÇÃO ... 18
1.2 – OBJETIVO ... 19
2 – CONTEXTO HISTÓRICO ... 20
2.1 – CONTEXTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO ... 20
2.2 – A CONVENÇÃO DO METRO ... 21
2.3 – A ESCOLHA DE UM PADRÃO DE TENSÃO ELÉTRICA ... 22
2.3.1 – A PILHA PADRÃO ... 22
2.3.2 – O EFEITO JOSEPHSON ... 25
2.4 –O SURGIMENTO DA METROLOGIA NO BRASIL ... 29
3 – ORGANIZAÇÃO DA METROLOGIA ... 33
3.1 – ESTRUTURA METROLÓGICA MUNDIAL ... 33
3.1.1 – A CONFERÊNCIA GERAL DE PESOS E MEDIDAS - CGPM ... 33
3.1.2 –- O COMITÊ INTERNACIONAL DE PESOS E MEDIDAS - CIPM ... 33
3.1.3 – OS COMITÊS CONSULTIVOS ... 35
3.1.4 – O BUREAU INTERNACIONAL DE PESOS E MEDIDAS -BIPM ... 36
3.2 – ESTRUTURA METROLÓGICA BRASILEIRA ... 37
3.2.1 – O INMETRO ... 39
3.2.2 – O LNM ... 41
3.2.3 – A RBC E A RBLE ... 42
3.2.4 – A MATRIZ LABORATORIAL BRASILEIRA ... 43
3.3 – O SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES ... 44
3.3.1 – AS DUAS CLASSES DE UNIDADES ... 45
3.3.2 – OS PREFIXOS SI ... 49
4 – CONCEITOS METROLÓGICOS RELEVANTES ... 50
4.1 – RASTREABILIDADE ... 50
4.1.1 – CADEIA DE RASTREABILIDADE ... 50
4.2 – PADRONIZAÇÃO ... 52
5 – O VOLT ... 54
5.1 – DEFINIÇÃO ... 54
5.2 – REALIZAÇÃO – BALANÇA DE TENSÃO ... 54
5.3 – REPRODUÇÃO – EFEITO JOSEPHSON ... 56
5.4 – MANUTENÇÃO E DISSEMINAÇÃO ... 59
5.4.1 – PILHA PADRÃO ... 59
5.4.2 – PILHA ELETRÔNICA (DIODO ZENER) ... 61
5.4.3 – A TRANSFERÊNCIA AC / DC ... 62
6 – MÉTODO DE MEDIÇÃO DE PILHA PADRÃO - DESCRIÇÃO DOS PROCEDIMENTOS IMPLEMENTADOS ... 65
6.1 – DETERMINAÇÃO DE P1, P2, P3 E P4 EM FUNÇÃO DE Pe... 67
6.2 – DETERMINAÇÃO DOS VALORES DAS PILHAS EM FUNÇÃO DA MÉDIA ... 69
7.1 - TRANSFERÊNCIA DO VOLT INTERNACIONAL DO BIPM
PARA O INMETRO ... 72
7.2 - MANUTENÇÃO DO VOLT NO INMETRO ... 75
7.2.1 – A PARTIR DO VOLT INTERNACIONAL ... 75
7.2.2 – A PARTIR DO VOLT QUÂNTICO BRASILEIRO ... 78
7.3 – DISSEMINAÇÃO DO VOLT PARA OS LABORATÓRIOS CREDENCIADOS ... 81
7.3.1 – CALIBRAÇÃO DA PILHA PADRÃO DO CLIENTE ALFA ... 81
7.3.2 – CALIBRAÇÃO DA PILHA ELETRÔNICA 732A DO CLIENTE BETA ... 84
7.3.3 – CALIBRAÇÃO DA PILHA ELETRÔNICA DO CLIENTE GAMA ... 87 8 – CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 90 8.1 - CONCLUSÕES ... 90 8.2 – RECOMENDAÇÕES ... 91 9 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 93 10 – APÊNDICES ... 95
10.1 – APÊNDICE 1: DETERMINAÇÃO DO VALOR DE CADA PILHA DO BANCO EM FUNÇÃO DA PILHA ELETRÔNICA. ... 96
10.2 – APÊNDICE 2: DEMONSTRAÇÃO DO CÁLCULO DE P ... 98
10.3 – APÊNDICE 3:OBTENÇÃO DE P1, P2, P3,P4 E Pe ESTIMADOS ... 99
10.4 – APÊNDICE 4: MEMÓRIA DE CÁLCULO DA TRANSFERÊNCIA DO VOLT DO BIPM PARA O INMETRO ... 101
10.5 – APÊNDICE 5: MEMÓRIA DE CÁLCULO DA MANUTENÇÃO DO VOLT NO INMETRO (DETERMINAÇÃO DO VALOR DE CADA PILHA DO BANCO E DA PILHA ELETRÔNICA E SUAS INCERTEZAS TIPO A NO DIA 18/02/99) ... 105
10.6 – APÊNDICE 6: MEMÓRIA DE CÁLCULO DA CALIBRAÇÃO DA PILHA PADRÃO DO CLIENTE ALFA ... 107
10.7 – APÊNDICE 7: MEMÓRIA DE CÁLCULO DA CALIBRAÇÃO DA PILHA ELETRÔNICA 732A DO CLIENTE BETA ... 110
10.8 – APÊNDICE 8: MEMÓRIA DE CÁLCULO DA CALIBRAÇÃO DA PILHA ELETRÔNICA 732B DO CLIENTE GAMA ... 112
10.9 – APÊNDICE 9: DIAGRAMAS DE RASTREABILIDADE DA PADRONIZAÇÃO DE TENSÃO DC NO INMETRO ... 114
11 - ANEXOS...117
11.1 - ANEXO A: TERMINOLOGIA ... 118
11.2 – ANEXO B : CERTIFICADO DE CALIBRAÇÃO DA PILHA ELETRÔNICA DO INMETRO NO BIPM ... 125
11.3 – ANEXO C : CERTIFICADOS DE CALIBRAÇÃO DA PILHA PADRÃO DO CLIENTE ALFA ... 128
11.4 – ANEXO D: CERTIFICADOS DE CALIBRAÇÃO DA PILHA ELETRÔNICA 732A DO CLIENTE BETA ... 135
11.5 – ANEXO E: CERTIFICADOS DE CALIBRAÇÃO DA PILHA ELETRÔNICA 732B DO CLIENTE GAMA ... 146
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1 - Estrutura Metrológica Mundial... 34
Figura 3.2 - Estrutura Funcional do SINMETRO... 38
Figura 3.3 - Estrutura Organizacional do INMETRO... 40
Figura 4.1 - Cadeia de Rastreabilidade... 51
Figura 5.1 - Princípio da balança de tensão para a realização do Volt... 54
Figura 5.2 - Arranjo de medição comparando-se a tensão obtida através da balança de tensão e do efeito Josephson... 55
Figura 5.3 - Na figura “a” uma tensão DC é aplicada e o voltímetro indica tensão zero. Na figura “b” a barra é dividida e as partes são separadas de uma distância de 1 cm, o voltímetro indica a tensão da bateria e o amperímetro indica zero... 56
Figura 5.4 - A figura “a” mostra o efeito Josephson DC e a figura “b” o efeito Josephson AC... 57
Figura 5.5 - Visão frontal da junção Josephson, onde pode ser visto os materiais supercondutores de NIÓBIO, separados por uma fine camada de aproximadamente 2nm de óxido de alumínio, utilizado como isolante... 58
Figura 5.6 - Arranjo típico de um circuito integrado para um conjunto de junções Josephson... 59
Figura 5.7 - Diagrama de uma pilha de cádmio (Weston)... 59
Figura 5.8 - Circuito usando um diodo de silício, para fornecer uma tensão de referência ... 61
Figura 5.9 - Característica tensão-corrente DC, de um diodo de silício, mostrando a tensão Zener... 62
Figura 5.10 - Geração de uma onda senoidal... 63
Figura 6.1 - Medição da diferença entre as pilhas P1 e P2... 65
Figura 6.2 - Circuito de medição com as duas possibilidades de ligações. 66 Figura 6.3 - Arranjo das medições... 66
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Unidades de Base... 47 Tabela 3.2 - Unidades elétricas ou utilizadas na área elétrica... 48 Tabela 3.3 - Múltiplos e Submúltiplos... 49 Tabela 7.1 - Valores obtidos durante o processo de transferência do volt do
BIPM para o INMETRO... 74 Tabela 7.2 - Valores estimados de cada uma das quatro pilhas, da média e
suas respectivas incertezas do tipo A... 74 Tabela 7.3 - Incerteza obtida na transferência do volt do BIPM para o
INMETRO... 75
Tabela 7.4 - Valores das diferenças medidas [(Pi-Pe) e (Pe-Pi)] durante a
manutenção do volt no período compreendido entre dezembro de 1997 à junho de 1999... 76 Tabela 7.5 - Valores estimados de cada uma das quatro pilhas do banco e da
pilha eletrônica... 77 Tabela 7.6 - Incerteza final repassada para a pilha eletrônica no dia
18/02/99... 78 Tabela 7.7 - Medição da pilha eletrônica utilizando-se o Sistema Josephson
do INMETRO, no período de 30/08 à 08/10/99... 78 Tabela 7.8 - Medição da pilha eletrônica utilizando-se o Sistema Josephson
do NIST, no período de 13/09 à 24/09/99... 79
Tabela 7.9 - Medição da pilha eletrônica utilizando-se o Sistema Josephson do NIST, no período de 27/09 à 08/10/99... 80 Tabela 7.10 Incerteza total da pilha eletrônica no dia 08/10/99... 80 Tabela 7.11 Valores obtidos na calibração do banco de pilhas padrão do
cliente Alfa, em 28/11/96, 28/01/98 e 15/03/99... 81 Tabela 7.12 Valores obtidos durante a calibração da caixa de pilhas padrão
do cliente Alfa... 82 Tabela 7.13 Valores estimados do banco de pilhas padrão do cliente A... 83
Tabela 7.14 Incerteza final repassada para o cliente Alfa na calibração de uma pilha padrão realizada de 01 a 15 de março de 1999... 84 Tabela 7.15 Valores obtidos na calibração da pilha eletrônica 732A do cliente
Beta em 03/05/96, 10/03/97, 23/03/98 e 15/03/99... 85 Tabela 7.16 Valores obtidos na calibração da pilha eletrônica 732A do cliente
Beta no período entre 01 e 15/03/99... 86 Tabela 7.17 Incerteza final repassada para o cliente Beta na calibração da
pilha eletrônica 732A, realizada de 01 a 15 de março de 1999... 86 Tabela 7.18 Valores obtidos na calibração da pilha eletrônica 732B do cliente
Gama em 08/11/96, 16/12/97, 23/11/98 e 19/10/99... 87 Tabela 7.19 Valores obtidos na calibração da pilha eletrônica 732B do cliente
Gama no período entre 04 e 19/10/99... 88 Tabela 7.20 Incerteza final repassada para o cliente Gama na calibração de
uma pilha eletrônica 732B, realizada de 04 a 19 de outubro de 1999
LISTA DE SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ALCA – Associação de Livre Comércio das Américas
BIPM – Bureau internacional de Pesos e Medidas
BPL – Boas Práticas Laboratoriais
CBC – Comitê Brasileiro de Certificação
CBM – Comitê Brasileiro de Metrologia
CCAB – Comitê Codex Alimentarius do Brasil
CCAUV – Comitê Consultivo de Acústica Ultra-som e Vibrações
CCBT – Comitê de Coordenação de Barreiras Técnicas
CCE – Comitê Consultivo de Eletricidade
CCEM – Comitê Consultivo de Eletricidade e Magnetismo
CCL – Comitê Consultivo de Comprimento
CCM – Comitê Consultivo de Massas e Grandezas
Correlacionadas
CCPR – Comitê Consultivo de Fotometria e Radiometria
CCQM – Comitê Consultivo de Quantidade de Matéria
CCRI – Comitê Consultivo de Radiações Ionizantes
CCT – Comitê Consultivo de Termometria
CCTF – Comitê Consultivo de Tempo e Frequência
CCU – Comitê Consultivo de Unidades
CGPM – Conferência Geral de Pesos e Medidas
CIPM – Comitê Internacional de Pesos e Medidas
CNEN – Comissão Nacional de Energia Nuclear
CNI – Confederação Nacional de Indústria
CNN – Comitê Nacional de Normalização
CODEX ALIMENTARIUS – Organismo da ONU para a Qualidade de Alimentos
CONACRE – Comitê Nacional de Credenciamento
CONMETRO – Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial
DICLA – Divisão de Credenciamento de Laboratórios de Calibração
DICRE – Divisão de Credenciamento de Laboratórios de
Ensaios
DIELE – Divisão de Metrologia Elétrica
DIMCI – Diretoria de Metrologia Científica e Industrial
DIMEC – Divisão de Metrologia Mecânica
DIOPT – Divisão de Metrologia Óptica
DITER – Divisão de Metrologia Térmica
DSHO – Departamento do Serviço da Hora
FEM – Força Elétromotriz
IAAC – Interamerican Accreditation Cooperation
IAF – International Accreditation Forum
IATCA – International and Training Certification Association
IDEC – Instituto Brasileiro de Defesa do Consumidor
IEC – International Electrotechinal Comission
ILAC – International Laboratory Accreditation Cooporation INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e
Qualidade Industrial
INPI – Instituto Nacional de Propriedade Industrial
INPM – Instituto Nacional de Pesos e Medidas
INT – Instituto Nacional de Tecnologia
IPEM – Instituto de Pesos e Medidas
IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas
IRD – Instituto de Radioproteção e Dosimetria
ISO – International Organisation for Standardization
LACIN – Laboratório de Capacitância e Indutância
LAPET – Laboratório de Potência, Energia e Transformadores
LARES – Laboratório de Resistência
LAREN – Laboratório Detentor de Referência Metrológica
Nacional
LATCE – Laboratório de Tensão e Corrente Elétrica
LMRI – Laboratório de Metrologia das Radiações Ionizantes
MERCOSUL – Mercado Comum do Sul
MIC – Ministério da Indústria e do Comércio
MDIC – Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior
NIST – National Institute of Standards and Technology, EUA
OIML – Organização Internacional de Metrologia Legal
OMC – Organização Mundial do Comércio
OMS – Organização Mundial de Saúde
ON – Observatório Nacional
PTB – Physikalisch – Technische Bundesanstalt, Alemanha
RBC – Rede Brasileira de Calibração
RBLE – Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaios
RNML – Rede Nacional de Metrologia Legal
SI – Sistema International de Unidades
SIM – Sistema Interamericano de Metrologia
SINMETRO – Sistema Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial
1 – INTRODUÇÃO
1.1 – APRESENTAÇÃOA Metrologia desempenha papel muito importante em todos os campos da atividade humana, desde pequenas transações comerciais até o mais sofisticado exame para diagnóstico médico, que poderá salvar uma vida, necessitará da medição de algum parâmetro, e, portanto, exigirá algum tipo de controle metrológico. Embora pareça algo simples, a garantia de medições confiáveis exige grandes investimentos de nações e empresas e bastante dedicação dos profissionais desta área.
As células eletroquímicas, cujo desempenho como padrão de tensão é objeto deste trabalho, vem sendo utilizadas para este fim, desde 1836. A despeito da utilização de efeitos quânticos, ainda são utilizadas nos principais laboratórios de todo o mundo, inclusive no nosso país.
O Brasil possui já há algum tempo uma sistemática eficiente para obtenção/transferência, manutenção e disseminação da unidade de tensão elétrica, o volt. Esta sistemática consiste na garantia da rastreabilidade do padrão de referência do INMETRO ao padrão internacional do “Bureau International des Poids et Mesures” (BIPM), a manutenção e o posterior repasse do seu valor. Com a recente implementação no INMETRO (outubro de 99) da padronização primária do volt baseada no Efeito Josephson, esta sistemática até então adotada, sofreu uma significativa alteração, uma vez que não mais será necessário buscar rastreabilidade no BIPM e, sim, participar de programas de intercomparação com os países possuidores de Sistema Josephson, o que além de garantir incertezas menores coloca o INMETRO no mesmo nível metrológico em medição de tensão elétrica dos principais laboratórios do mundo. A transferência, manutenção e disseminação do volt continuará sendo feita da mesma forma, porém com níveis de incerteza consideravelmente menores.
A manutenção do volt, no Brasil, é feita por intermédio de um conjunto de 28 células saturadas, mais conhecidas como “pilhas padrão” que, mantidas sob condições ambientais (temperatura e umidade) controladas, funcionam como um padrão de referência de tensão elétrica. Periodicamente, estas pilhas são comparadas por intermédio de um padrão de transferência com o volt primário, que até hoje era representado pelo padrão do BIPM e que agora passa a ser
representado pelo Sistema Josephson do próprio INMETRO. Este conjunto de pilhas então, calibram o padrão de trabalho (“pilha eletrônica”), que, é utilizado como referência para a calibração dos padrões de tensão dos laboratórios secundários, pertencentes à Rede Brasileira de Calibração (RBC).
Se a existência de uma sistemática eficiente para a transferência, manutenção e disseminação já era importante, com a implantação do Sistema Josephson ela tornou-se indispensável para que este sistema possa ser utilizado em toda a sua plenitude.
1.2 – OBJETIVO
O trabalho descrito na presente dissertação teve como objetivo principal desenvolver um método que proporcionasse maior eficiência no processo de transferência do valor do volt do BIPM para o sistema metrológico brasileiro, reduzindo-se em um primeiro momento, a incerteza até então praticada de 2ppm, para algo em torno de 0,5ppm, mostra também, que com a recente implantação do sistema de padronização primária de tensão baseado no Efeito Josephson esta incerteza poderá ser ainda mais reduzida. Além disso, o trabalho apresenta detalhadamente a avaliação das principais componentes de incertezas envolvidas no processo, visando a redução da incerteza final associada à calibração dos padrões dos laboratórios secundários, o que permite maior confiabilidade nas informações contidas nos certificados de calibração emitidos pelo INMETRO e maior credibilidade no trabalho realizado por este Instituto.
2 – CONTEXTO HISTÓRICO
2.1 – CONTEXTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO
Nos séculos XVI e XVII, ocorreu a Revolução Científica, tendo à frente gênios como Copérnico, Galileo, Kepler, Descartes, Newton e outros. Como resultado emergiu a mecânica clássica, a primeira a ser erigida em moldes modernos. Mais do que isso, ela incutiu em alguns círculos importantes o espírito do pensamento científico. Esse espírito esteve presente, embora de modo subjacente, na concretização da Revolução Industrial na segunda metade do século XVIII. Esse evento histórico, de profundas conseqüências na atividade humana, foi em grande medida resultado do aperfeiçoamento técnico de vários séculos. A evolução observada, ao redor, do século XV, nas técnicas de navegação, mineração, metalurgia e fiação acelerou-se para atingir um alto grau técnico, simbolizado pela máquina a vapor.
Não menos importante foi a atuação desse espírito no terreno ideológico. Certos de que o ideário capitalista era mais racional e científico do que o feudal, homens como D’Alembert, Voltaire e outros gestaram as bases ideológicas da Revolução Francesa no crepúsculo do século XVIII. Ao mesmo tempo, os dados científicos cresciam assustadoramente, seja no terreno da termodinâmica ou da química, associados ao desenvolvimento industrial, seja no campo biológico ou geofísico em função das expedições científicas resultantes da exploração colonial. A técnica, por sua vez, saltava para um novo patamar em função da passagem do trabalho manual para a máquina-ferramenta.
A Revolução Industrial, que muitos historiadores chamam apropriadamente de Revolução Tecnológica, foi caracterizada pela introdução das máquinas no processo produtivo, pela organização do trabalho de forma intensiva e pela ampliação do sistema de crédito.
A Revolução Tecnológica tem sido dividida em duas fases, segundo as fontes de energia e indústrias básicas propulsoras das transformações, a saber: a “revolução do carvão e do ferro,” que vai de 1780 a 1850, e a “revolução do aço e da eletricidade,” de 1850 a 1914.
Até a Revolução o homem havia, paulatinamente, aperfeiçoado instrumentos que amplificavam a sua força muscular ou ampliavam suas habilidades. A introdução da máquina, porém, permitiu não somente a realização
do trabalho em escala e velocidade muito maiores, como a substituição do homem no trabalho físico direto. Em conseqüência, a máquina passou a ser o elemento central na técnica do processo econômico e produtivo.
Na realidade, ao longo dos tempos a ciência preocupou-se em responder inicialmente às questões representadas pelos fenômenos da natureza, passando gradativamente, a explicar também as indagações das máquinas, processos e produtos criados pelo homem. Somente em fins do século XIX, a tecnologia começou a fazer uso significativo da ciência, quando principalmente a indústria química e os usos da energia elétrica se apoiaram em descobertas científicas. A partir de então, e crescentemente, máquinas, processos e produtos começam a surgir a partir dos avanços do conhecimento científico, invertendo-se cronologicamente a cadeia de ligação entre ciência e tecnologia. A ciência passa a suprir a tecnologia não só de descobertas específicas, como também com o uso cada vez mais amplo do método científico de investigação, suas técnicas laboratoriais e a certeza da importância da pesquisa na solução de problemas do setor produtivo [Ver referências 17, 18 e 19].
2.2 – A CONVENÇÃO DO METRO
O progresso da ciência, vista no item anterior, particularmente aquela que se utilizava de métodos experimentais, exigia o uso de uma linguagem comum que propiciasse o intercâmbio de resultados e descobertas. Por outro lado, embora fossem evidentes as dificuldades que a falta da uniformização das medidas causavam nas relações comerciais, a população em geral e os próprios comerciantes e senhores feudais em particular, resistiam a todas as tentativas de mudanças das regras feitas pelos governos.
Ao final do século XVIII, após a Revolução Francesa, começa a ocorrer uma forte pressão para se unificar os pesos e as medidas na França. Fatos como o fim dos privilégios e rendas feudais e os sistemas de pesos e medidas a eles associados em 1789 ou a determinação do comprimento da décima milionésima parte do quarto de meridiano terrestre a partir da medição do arco de meridiano de Dunquerque até Barcelona feitas pêlos astrônomos franceses Jean Baptiste Delambre e Pierre Méchain possibilitando a construção do “metro padrão” em 1799, dentre outros, foram fundamentais para organizar o sistema métrico decimal. O início do século seguinte é marcado pelas tentativas governamentais
em quebrar a resistência da população em adotar o sistema até a edição da lei de 4 de Julho de 1837 que determinou o uso compulsório e exclusivo do sistema métrico na França.
A estabilidade política na Europa e na América a partir do fim da primeira metade do século XIX permitiram o desenvolvimento de várias ações no sentido da internacionalização do sistema métrico. Em 1869 cientistas russos da Academia de São Petersburgo propuseram à Academia de Paris a organização de uma conferência internacional, sendo criada então, com a participação de 24 países, a primeira Comissão Internacional do Metro, em 1872. Definiu-se que o material do novo metro padrão deveria ser uma liga de 90% de platina e 10% de irídio em barras de 102 cm com seção em forma de X, sendo utilizada a mesma liga de platina iridiada também para a confecção do novo padrão de massa. A Comissão propôs ainda a criação de um Bureau Internacional de Pesos e Medidas. Em 1º de março de 1875 instalou-se em Paris, a Conferência Diplomática do Metro, presidida pelo duque de Decazes, ministro dos negócios estrangeiros da França, tendo comparecido como representante do Brasil o visconde de Itajubá, sendo então aprovada a criação do Bureau, com sede em Paris e sendo supervisionado por um Comitê Internacional, subordinado à Convenção do Metro. O Comitê Internacional de Pesos e Medidas foi formado por 14 membros de países distintos, sendo estabelecido o prazo máximo de seis anos para as convocações posteriores da Convenção, sob a forma de Conferências Gerais. A Convenção do Metro foi assinada em 20 de maio de 1875. O Brasil, embora tenha assinado a Convenção, não a ratificou ao final do mesmo ano, fato que trouxe alguns problemas, como veremos mais tarde [Ver
referências 03 e 05].
2.3 – A ESCOLHA DE UM PADRÃO DE TENSÃO ELÉTRICA
2.3.1 – A PILHA PADRÃO
Os estágios iniciais do conhecimento sobre a eletricidade foram marcados, como era de se esperar, pelas observações de fenômenos qualitativos. Somente mais tarde, à medida que a natureza das ações ia sendo mais bem compreendida, é que as relações quantitativas puderam ser deduzidas. As primeiras observações foram feitas na eletrização por atrito, conduzindo ao estudo dos efeitos das cargas elétricas em repouso, normalmente apresentados
como eletricidade “estática”. Daí,chegou-se ao primeiro resultado quantitativo, expressando-se a força exercida entre duas cargas na fórmula conhecida como “lei de Coulomb”.
A produção de um fluxo permanente de corrente elétrica tornou-se possível como resultado da descoberta, em 1800, da pilha voltaica, por Volta. Os anos que se sucederam mostraram grande atividade no uso da corrente elétrica de diversas maneiras incluindo-se ensaios eletroquímicos, a produção de arcos elétricos e os efeitos magnéticos. O estudo quantitativo dos circuitos elétricos começou em 1827, quando Ohm tornou conhecida a relação ou “lei” que leva o seu nome. Ohm expressou o fato de que o valor da corrente que flui em um circuito depende diretamente da força elétrica (f.e.m.) e inversamente de uma propriedade do circuito conhecida como resistência. Obviamente, contudo, ele não tinha unidades no nível das nossas atuais – o ampère, o volt e o ohm – para medir aquelas grandezas. Valores relativos das correntes podiam ser determinados por meio de uma bússola e uma bobina (em outras palavras, um galvanômetro de tangente), mas a proporcionalidade constante de um tal instrumento depende da sua construção. Portanto, não se poderia esperar que existisse no momento, algo que satisfizesse a diferentes laboratórios. Uma “unidade” de resistência naqueles dias consistia, usualmente, em um comprimento arbitrário de fio de cobre ou de ferro, do tamanho que o experimentador tivesse ocasionalmente disponível.
Logo tornou-se evidente ser necessário um sistema universal de unidades, a fim de permitir o intercâmbio de informações entre diferentes experimentadores. Também era evidente que as unidades elétricas não poderiam ser relacionadas às leis entre elas apenas, mas deveriam sê-lo também às unidades mecânicas de comprimento, energia e outras. Gauss deu o primeiro passo nessa direção, em 1832, quando mediu o componente horizontal do campo magnético terrestre em termos de comprimento, massa e tempo. Kohlraush, em 1849, mediu a resistência elétrica em termos de unidades mecânicas. Weber fez uma importante contribuição, em 1851, com a proposta de um sistema completo de unidades elétricas baseado em unidades mecânicas. Seus princípios constituem a base do nosso sistema atual.
Em 1861, a Associação Britânica para Desenvolvimento das Ciências nomeou uma comissão para estabelecer padrões de resistência. Esta comissão é notável não somente pelo trabalho pioneiro que executou, como também pela plêiade de homens famosos que inclui Maxwell, Joule, Kelvin, Thomson e Wheatstone, para citar apenas alguns.
Um padrão de trabalho de f.e.m. logo fez-se necessário, por isso, os experimentadores voltaram-se, naturalmente, para a idéia de uma pilha voltaica servir de referência. Sabia-se que a f.e.m. de uma pilha depende dos materiais que compõem o eletrólito e os eletrodos, donde, a dedução natural que uma determinada combinação de materiais podia conduzir, certamente, a um valor definido da f.e.m. A pilha de Daniel, consistindo em eletrodos de zinco e cobre, com soluções de sulfato de zinco e sulfato de cobre, foi usada por algum tempo, mas estava longe do ideal: a f.e.m. não era constante e tinha vida curta.
Há várias propriedades que uma pilha deve ter para ser um bom padrão de f.e.m., destacando-se vida longa, efeito pequeno da temperatura e reprodutibilidade. Em 1872, Latimer Clark inventou uma pilha que era bem melhor que a de Daniel. Após alguns aperfeiçoamentos, ela consistia em eletrodos de mercúrio e amálgama de zinco, solução saturada de sulfato de zinco, tudo selado em um invólucro de vidro, a fim de evitar a evaporação do eletrólito. Possuía boa reprodutibilidade porém um coeficiente bastante elevado de temperatura e tinha problemas de rachaduras no vidro, onde os fios de platina eram selados, devido à formação de liga entre a platina e o amálgama de zinco.
Edward Weston produziu, em 1892, a pilha de cádmio. Ela foi adotada, em 1908, pelo Congresso Internacional de Eletrotécnica de Londres, com o valor de 1,0184 volts internacionais (mudado, em 1910 para 1,0183). O volt internacional, como um padrão de trabalho, foi definido em 1910 como 1/1,0183 da f.e.m. da pilha Weston Normal (saturada), a 20º C. A pilha Weston foi utilizada como padrão de referência desde esse tempo e, como tal, teve e ainda tem um papel muito importante nas medições elétricas. Ela tem preenchido as exigências de um padrão de tensão elétrica de modo altamente satisfatório [Ver referências
2.3.2 – O EFEITO JOSEPHSON
Em 1962, Brian D. Josephson, um jovem estudante de graduação em física, da Universidade de Cambridge, fez uma descoberta baseada em uma análise puramente teórica do fenômeno da supercondutividade. Josephson chegou à conclusão que em princípio, uma supercorrente, consistindo de pares de elétrons correlacionados poderia conseguir atravessar uma barreira isolante entre dois materiais supercondutores, desde que esta barreira fosse bastante pequena (2nm). Ele mais tarde sugeriu que este “tunelamento” de pares de elétrons através de um isolante poderia ter duas formas, o que veio a ser conhecido como o efeito Josephson AC e DC.
Após a descoberta e a verificação experimental do efeito Josephson vários experimentos foram realizados para checar a validade da relação, entre freqüência e tensão de Josephson:
(2.1)
2e h
f n Un
onde, Un é a tensão de Josephson, n um número inteiro, f a freqüência de microondas, e a carga do elétron e h a constante de Planck.
Em 1968 mostrou-se que os valores obtidos para a relação 2e/h, também conhecida como constante de Josephson (Kj), no chumbo, no estanho e no índio são os mesmos dentro de 1 parte em 108, e em 1969 achava-se que este valor
seria independente do tipo e da geometria da junção Josephson, do campo magnético e da potência de microonda. Mais adiante experimentos com melhor exatidão confirmaram a validade geral da equação:
(2.2) Kj f n Un
e a investigação teórica também indicou que correções da equação, caso houvesse, seriam extremamente pequenas.
O primeiro padrão de tensão Josephson que se tem notícia, foi construído em 1968 e tinha uma única junção, podendo produzir até 5 mV de tensão. Para comparar esta tensão com aquelas das células padrão Weston, de aproximadamente 1,018 V, era necessário usar divisores de tensão, que aumentavam a incerteza de medição e eram de difícil construção e manuseio.
Com o objetivo de melhorar a exatidão dos padrões Josephson de uma junção, a idéia de conectar várias junções em série foi crescendo. Imaginou-se que grandes tensões Josephson simplificariam o arranjo dos circuitos e a calibração de divisores de tensão, assim como seria reduzida a influência da deriva devido às tensões térmicas causadas pelo transporte de tensão Josephson dos 4,2 K para a temperatura ambiente. As dificuldades para obter-se estas séries de conecções eram grandes porém não intransponíveis.
Na década seguinte os laboratórios mais avançados desenvolveram pesquisas no sentido de conseguir tal intento. Assim é que no início da década de 80 conseguia-se arranjos em cadeia (“array”) com 100 junções que produziam tensões estáveis de 27 mV sob irradiação com freqüência de 20 GHz ou de 34 mV com um “array” de 54 junções irradiado com 70 GHz de microondas, por exemplo. Em 1985 o PTB (Alemanha) e o NIST (EUA) produziram padrões práticos de tensão Josephson trabalhando no nível de 1 V. O PTB usou 1440 junções túnel de Pb In Au/óxido de Pb/Pb Au e o NIST 1484 junções de Nb/Nb2
O5/Pb In Au. As junções de liga de chumbo mostraram pouca durabilidade e em
1987 o ETL no Japão começou a produzir padrões de 1 V com junções de Nb/Al2
O3/Nb. Adicionalmente à durabilidade a longo prazo, estas junções conseguem
uma maior amplidão de corrente e uma menor dispersão dos parâmetros, sendo utilizadas cada vez mais por todos os laboratórios que produzem “array” de tensão Josephson.
Em 1987 o NIST apresentou o primeiro “array” Josephson de 10V, contendo 14.184 junções de Nb/Nb2 O5/Pb In Au. Este chip tornou possível a
calibração direta do padrão de referência Zener e testou a linearidade dos voltímetros digitais a partir da obtenção de tensões entre –12 V e +12 V. O 1º chip de 10 V com mais de 20.000 junções de Nb/Al2 O3/Nb foi fabricado dois anos
mais tarde pelo PTB.
Sempre preocupado com a uniformidade das medições na área elétrica o Comitê Consultivo de Eletricidade (CCE) em seu 13º encontro, em 1972, sugeriu que os laboratórios nacionais que possuíssem padrões Josephson adotassem o valor de 483594,0 GHz/V como valor convencional da constante de Josephson (Kj=2e/h) para uso na realização e manutenção de representações estáveis
laboratórios nacionais de fato adotaram este valor, três não o fizeram. Os EUA, França e Rússia adotaram valores de Kj que eram, respectivamente, (1-1,210-6),
(1+1,3210-6), e (1+4,5010-6) vezes o valor fixado pelo CCE em 1972. Como
conseqüência, as representações nacionais do volt destes países diferiram -1,20 V, +1,32 V e +4,50 V, respectivamente, das representações nacionais daqueles países que usaram o valor de 1972. Além disso, mais adiante tornou-se evidente que o valor de 1972 era em torno de (1 - 810-6) vezes o valor SI,
implicando que as representações nacionais do volt daqueles países que tinham adotado o valor fixado pelo CCE estava em torno de 8 V menor que o da unidade SI. Para EUA, França e Rússia, a diferença do SI era em torno de -9,2 V, -6,7 V e -3,5 V, respectivamente.
Para tratar do problema da não uniformidade das representações nacionais de tensão e suas inconsistência com o SI, o CCE em seu 17º encontro realizado em Setembro de 1986 estabeleceu, através da declaração E1(1986),
“concernente ao efeito Josephson para manter a representação do volt”, o grupo de trabalho, do CCE, do efeito Josephson. O CCE encarregou o grupo de trabalho de propor um novo valor da constante de Josephson consistente com o valor SI baseado em todos os dados relevantes que estivessem disponíveis até 15 de Junho de 1988.
O CCE, reuniu-se em setembro de 1988 e examinou o relatório do grupo de trabalho especial sobre o efeito Josephson que apresentou resultados de 10 das mais recentes determinações de alta exatidão do 2e/h na unidade do SI. O CCE concordou com o valor de Kj = 483.597,9 GHz/V. Então, em 1º de Janeiro de 1990, foi atribuído este valor à constante de Josephson que deve ser tomado como um valor exato. A partir desta data os laboratórios nacionais que utilizassem o efeito Josephson deveriam baseá-lo no Kj-90, onde o subscrito 90 deriva do fato de que a nova representação do volt foi colocado como tendo efeito a partir de 1º de janeiro de 1990.
Nestas discussões direcionadas pela declaração E1(1986), o CCE
concluiu que embora a uniformidade das medições em todo mundo pode somente ser assegurado através do SI, em particular na área de tensão, requisitos científicos, comerciais e industriais de reprodutibilidade de longo prazo superam a exatidão com que esta unidade SI pode ser realizada. Para atender
estas demandas, o CCE acreditou ser necessário que representações do volt fossem estabelecidas tendo uma reprodutibilidade e constância de longo prazo superior que a realização direta presente desta unidade do SI.
Embora o valor recomendado para a constante Josephson em que a nova representação do volt foi baseado seja acreditado como sendo consistente com os valores SI dentro das suas incertezas atribuídas, é reconhecido que no futuro, medições mais exatas mostrarão provavelmente que os novos valores recomendados diferem dos valores do SI em algumas pequenas quantidades. De acordo com o ponto de vista do CCE, é previsto que no caso de tal situação ocorrer, o CCE pode simplesmente registrar a diferença entre o volt e sua nova representação. Isto seria útil para aqueles trabalhos (a maioria das vezes nas áreas de realização das unidades elétricas e determinação das constantes fundamentais da física) para quem pequenas diferenças pode ser significante. Uma vez que é esperado que qualquer destas diferenças seja suficientemente pequena para não afetar as medições práticas em eletricidade, acredita-se fortemente que o novo valor recomendado não precisará ser alterado em um futuro previsível.
Entretanto, esta última declaração não deve ser interpretada como significando que o aperfeiçoamento do volt seja agora desnecessário. Por causa da exata representação do volt ser importante para a ciência, comércio e indústria, é importante para os laboratórios continuarem seus esforços para realizar o volt com grande exatidão direta ou indiretamente através de medições de constantes fundamentais relevantes. Isto poderia resultar uma significante redução das incertezas determinadas da nova representação.
O propósito da representação do novo volt é melhorar a uniformização em todo o mundo das representações nacionais do volt e suas consistências com o SI. A questão que surgiu então, foi como proceder para ser seguido por aqueles laboratórios que não baseavam suas representações do volt no efeito Josephson. De acordo com o ponto de vista expresso pelo CCE durante suas discussões em conecção com a declaração E1 (1986), foi recomendado que em 1º de Janeiro de
1990 tais laboratórios ajustassem os valores das suas representações do volt de tal forma que eles ficassem consistentes com a nova representação. Além disso, esta consistência deveria ser mantida por padrões transferíveis de tensão
periodicamente calibrados por um laboratório que baseasse sua representação do volt no efeito Josephson, por exemplo o BIPM [Ver referências 16, 22 e 26]. 2.4 –O SURGIMENTO DA METROLOGIA NO BRASIL
A lei imperial n.º 1157 de D. Pedro II em 26 de Junho de 1862, determinou a adoção do sistema métrico no Brasil. A Lei além de autorizar o governo a adquirir padrões na França, obrigava o ensino do sistema métrico nas escolas e dava um prazo de dez anos para a efetiva implantação do novo sistema, porém, somente em 1872 saiu um regulamento que definia como prazo final para a adoção das novas medidas o dia 1º de julho de 1873. Após este prazo, as mercadorias para consumo teriam de ter suas quantidades expressas em metros, litros e quilogramas. O Brasil participaria dois anos depois da Convenção do Metro, tendo recebido no início da década seguinte um metro padrão que foi guardado no Arquivo Público Imperial.
A intermitência da relação do Brasil com o BIPM marcaram as décadas seguintes, ora pagando as contribuições anuais que lhe davam a condição de adepto da Convenção do Metro, ora se tornando inadimplente. Por outro lado, faltava ao país ter um órgão dedicado a metrologia, fato que começaria a ser resolvido com a criação, em 1934, do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do estado de São Paulo (IPT), com uma seção de metrologia, e do Instituto Nacional de Tecnologia (INT) no Rio de Janeiro, que, entretanto, só teve em 1946 criada uma Divisão de Metrologia. Em 1938 é promulgado o Decreto-lei número 592 que cria a Comissão de Metrologia, dá ao INT as atribuições de um Instituto Nacional de Padrões e estabelece como sistema legal de medidas no Brasil aquele definido pelas Conferências Gerais de Pesos e Medidas.
O decreto-lei definia, pela primeira vez, uma tipologia para os padrões de pesos e medidas. Três níveis eram estabelecidos: padrões primários nacionais (mantidos no INT), padrões secundários (nacionais e estaduais, calibrados pêlos padrões nacionais e mantidos no INT ou nos institutos estaduais) e padrões terciários (nacionais, estaduais ou municipais, calibrados pêlos padrões secundários, e conservados no INT e nos órgãos metrológicos estaduais e municipais).
Até o fim da primeira metade do século XX, apesar de todos os esforços, não se tinha um sistema metrológico vigorando eficientemente, uma vez que o
INT continuava sem dispor dos padrões primários, calibrados no BIPM, contando apenas com a coleção de padrões oferecida pelo Bureau of Standards norte-americano durante a Segunda Guerra Mundial. No Brasil, apenas o IPT dispunha de um metro e de um quilograma padrão de acordo com os padrões internacionais, conferidos pelo BIPM e adquiridos em 1934.
O pedido de reintegração do Brasil à Convenção do Metro foi apresentado na sessão de 9 de outubro de 1952, sendo então mencionado que, apesar de signatário da Convenção, a não ratificação do acordo e o abandono dos pagamentos tinham retirado do país o “status” de co-proprietário dos bens do Bureau. Na sessão de 29 de agosto de 1954, foi lido o relatório do triênio 1952-54, já constando os termos da adesão do país à Convenção do Metro, no ano de 1953, com a efetivação do pagamento da contribuição de 23.318 francos-ouro.
O INT não era uma instituição estritamente metrológica, tendo dentre suas atribuições diversas outras atividades que limitavam sua atuação na área da metrologia. Em 29 de dezembro de 1961, a lei n.º 4048, além de outras medidas, cria o Instituto Nacional de Pesos e Medidas (INPM), vinculado ao Ministério da Industria e Comércio, com a finalidade de promover a execução da legislação metrológica, ficando extintas a Comissão de Metrologia e a Divisão de Metrologia do INT. O Decreto-lei número 240 de 28 de fevereiro de 1967 definia uma Política Nacional de Metrologia, confirmava o uso exclusivo no país das unidades do recém criado Sistema Internacional de Unidades, previa a adesão do Brasil à Organização Internacional de Metrologia Legal e a participação de técnicos brasileiros nas Conferências Gerais de Pesos e Medidas e determinava a obediência do país à estas Conferências.
Na década de 70 o Brasil vivia a época do “milagre econômico”, a política industrial brasileira era baseada na teoria da substituição de importações, a política da garantia da qualidade começava a mostrar bons resultados em outros países, tal como o Japão. No âmbito da recém-criada Secretaria de Tecnologia Industrial (STI) vinculada ao Ministério da Indústria e do Comércio (MIC), juntando-se ao Instituto Nacional de Tecnologia (INT) são criados o Instituto Nacional de Propriedade Industrial (INPI) e o Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (INMETRO). A lei n.º 5966, 11 de dezembro de 1973, instituiu o Sistema Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade
Industrial (SINMETRO), com a finalidade de formular e executar a política nacional de metrologia, normalização e certificação da qualidade de produtos industriais, o Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial - CONMETRO, órgão normativo do SINMETRO, e como órgão executivo central o INMETRO, juntando a metrologia, a normalização e a certificação da qualidade em uma só organização. Buscava-se assim a estruturação definitiva da metrologia científica no país com a criação de um laboratório de alto nível, com capacidade efetiva de realizar pesquisa científica, além de manter os padrões de medida, propiciar infra-estrutura para treinamento de pessoal e disseminar as unidades de medida do Sistema Internacional.
A efetiva implementação do INMETRO e a conclusão das obras do campus laboratorial de Xerém somente ocorreria, porém, na década seguinte, com a inauguração dos laboratórios da Divisão de Acústica e Vibrações (1984), dos laboratórios da Divisão de Mecânica (1987), dos laboratórios da Divisão de Eletricidade (1988) e finalmente dos laboratórios das Divisões de Óptica e Térmica (1995), que junto com o Observatório Nacional, o Instituto de Radioproteção e Dosimetria e os laboratórios que compõem a Rede Brasileira de Calibração (RBC), garantem a rastreabilidade das medições necessárias ao setor produtivo nacional.
Com a mudança do processo de substituição de importação pelo modelo de inserção competitiva, adotado com a abertura comercial no Brasil no início dos anos 90, e seguido pelo decisivo processo de privatização, o modelo do SINMETRO originalmente concebido requereu, para sua atualização, um criterioso trabalho de reestruturação fundamentado na tese da descentralização operacional do sistema e preservação da centralização da estratégia. Assim, em 1992, o CONMETRO aprovou os novos modelos de certificação e de normalização e fortaleceu o sistema de credenciamento de organismos de certificação e de laboratórios de calibração e de ensaios. Em 1995, endossou o Plano de Modernização do INMETRO, referendou o Plano Diretor de Metrologia Científica e Industrial e a Fase 1 do Programa RH-Metrologia e, no biênio 1997-98, desenvolveu, em ampla articulação com representantes dos diferentes segmentos da sociedade brasileira, o Planejamento Estratégico do SINMETRO e do INMETRO e finalmente encarregou o Comitê Brasileiro de Metrologia – CBM,
de elaborar o Plano Nacional de Metrologia, tendo sido tal plano aprovado pelo CONMETRO em novembro de 1998, estando atualmente sendo desdobrado em programas e/ou projetos [Ver referências 03, 12 e 21].
3 – ORGANIZAÇÃO DA METROLOGIA
3.1 – ESTRUTURA METROLÓGICA MUNDIAL3.1.1 – A CONFERÊNCIA GERAL DE PESOS E MEDIDAS - CGPM
A Conferência Geral é formada de delegados de todos os Estados-membros da Convenção do Metro e reúne-se, atualmente, de quatro em quatro anos. Ela recebe em cada uma de suas sessões o Relatório do Comitê Internacional sobre os trabalhos executados, e tem por missão:
discutir e aprovar as medidas necessárias para assegurar a propagação e aperfeiçoamento do Sistema Internacional de Unidades (SI);
sancionar os resultados das novas determinações metrológicos fundamentais e as diversas resoluções científicas de cunho internacional e adotar as decisões importantes concernentes à finança, organização e
desenvolvimento do BIPM.
3.1.2 –- O COMITÊ INTERNACIONAL DE PESOS E MEDIDAS - CIPM
O Comitê Internacional é composto de 18 membros pertencentes a Estados diferentes: ele se reúne, atualmente, uma vez por ano. A mesa dirigente deste Comitê envia aos governos dos Estados-membros da Convenção do Metro um Relatório Anual sobre a situação administrativa e financeira do BIPM. A principal tarefa do CIPM é garantir a uniformidade das unidades de medida em todo o mundo. Ele faz isto diretamente ou submetendo proposta a CGPM.
FIG. 3.1: Estrutura Metrológica Mundial DIPLOMÁTICO --- TÉCNICO
COMITÊS CONSULTIVOS
CONVENÇÃO DO METRO (20 DE MAIO DE 1875) C G P M C I P M B I P M3.1.3 – OS COMITÊS CONSULTIVOS
Diante da extensão das tarefas confiadas ao BIPM, o Comitê Internacional instituiu desde 1927, sob o nome de Comitês Consultivos, órgãos destinados a esclarecer questões que são submetidas a seu exame. Os Comitês Consultivos, que podem criar “grupos de trabalho” temporários ou permanentes para o estudo de assuntos particulares, são encarregados de coordenar os trabalhos internacionais efetuados nos seus domínios respectivos, e de propor as recomendações concernentes às modificações a introduzir nas definições e nos valores das unidades, tendo em vista as decisões que o Comitê Internacional é levado a tomar diretamente ou a submeter à sanção da Conferência Geral, para assegurar a unificação mundial das unidades de medida.
Os Comitês Consultivos têm um regulamento comum. Cada Comitê Consultivo, cuja presidência é geralmente confiada a um membro do Comitê Internacional, é composto por um delegado dos grandes Laboratórios de Metrologia e dos Institutos Especializados, cuja lista é estabelecida pelo Comitê Internacional, bem como por membros individuais designados igualmente pelo Comitê Internacional e por um representante do Bureau Internacional. Estes Comitês têm suas sessões com intervalos regulares e são, atualmente, em número de dez:
1. Comitê Consultivo de Comprimento (CCL).
2. Comitê Consultivo de Massa e Grandezas Relacionadas (CCM). 3. Comitê Consultivo de Tempo e Freqüência (CCTF).
4. Comitê Consultivo de Eletricidade e Magnetismo (CCEM). 5. Comitê Consultivo de Termometria (CCT).
6. Comitê Consultivo de Fotometria e Radiometria (CCPR). 7. Comitê Consultivo de Radiações Ionizantes (CCRI). 8. Comitê Consultivo de Quantidade de Matéria (CCQM).
9. Comitê Consultivo de Acústica, Ultrasom e Vibrações (CCAUV). 10. Comitê Consultivo de Unidades (CCU).
3.1.4 – O BUREAU INTERNACIONAL DE PESOS E MEDIDAS -BIPM
O BIPM, criado em 1875 pela Convenção do Metro, é o centro internacional da metrologia científica e tem por objetivo assegurar a unificação mundial das medidas físicas, está situado no parque de Saint Cloud, em Sévres, na periferia de Paris, tendo sua manutenção quanto as despesas asseguradas pelos Estados-membros da Convenção do Metro. Atua nas áreas de massa e grandezas relacionadas, tempo e freqüência, comprimento, eletricidade, fotometria, radiometria, temperatura, pressão e radiações ionizantes, sendo encarregado de:
estabelecer padrões fundamentais e as escalas para a medição das principais grandezas físicas e manter os protótipos internacionais;
realizar comparações de padrões nacionais e internacionais;
assegurar a coordenação das técnicas de medição correspondentes;
realizar e coordenar a determinação das constantes físicas fundamentais relevantes para as atividades envolvidas nas áreas acima citadas.
Limitados inicialmente às medidas de comprimento e de massa e aos estudos metrológicos relacionados com estas grandezas, as atividades do BIPM foram estendidas aos padrões de medidas elétricas (1927), fotométricas e radiométricas (1937), radiações ionizantes (1960) e as escalas de tempo (1988). Para este fim, os laboratórios originais, construídos em 1876-78, foram ampliados em 1929; novos prédios foram construídos em 1963-64 para os laboratórios de radiações ionizantes e em 1988 um novo prédio para a biblioteca e escritórios foram inaugurados.
Aproximadamente quarenta e cinco físicos e técnicos trabalham nos laboratórios do BIPM. Eles desenvolvem, principalmente, pesquisas metrológicas, comparações internacionais das realizações das unidades e calibrações de padrões. Um relatório anual, publicado no Procès-Verbaux des Séances du Comité International des Poids et Mesures, dá detalhes dos trabalhos em andamento.
Os Anais da Conferência Geral, do Comitê Internacional e dos Comitês Consultivos são publicados pelo BIPM nas seguintes coleções ou séries:
Comptes Rendus des Séances de la Conférence Générale des Poids et Mesures (CR);
Procès-Verbaux des Séances du Comité International des Poids et Mesures (PV);
Sessions des Comités Consultatitifs.
O Bureau também pública monografias de assuntos metrológicos especiais e, sob o título O Sistema Internacional de Unidades, uma brochura, periodicamente atualizada, aonde são coletadas todas as decisões e recomendações a respeito das unidades.
O trabalho científico do BIPM é publicado em literatura científica livre e uma lista anual de publicações aparece no Procès-Verbaux do CIPM.
Desde 1965, o periódico internacional Metrologia, editado sob os auspícios do CIPM, publica artigos sobre os principais trabalhos de metrologia científica efetuados no mundo, sobre melhoramento dos métodos de medição e dos padrões, sobre as unidades, etc., assim como informações sobre atividades, decisões e recomendações dos orgãos da Convenção do Metro.
Em dezembro de 1997, 48 Estados eram membros desta Convenção: África do Sul, Alemanha, Argentina, Austrália, Áustria, Bélgica, Brasil, Bulgária, Camarões, Canada, Chile, China, Coréia (República da), Coréia (República Popular Democrática da), Dinamarca, Dominicana (República), Egito, Eslováquia, Espanha, Estados Unidos, Finlândia, França, Holanda, Hungria, Índia, Indonésia, Irã, Irlanda, Israel, Itália, Japão, México, Noruega, Nova Zelândia, Paquistão, Polônia, Portugal, Reino Unido, Romênia, Rússia, Singapura, Suécia, Suíça, Tailândia, Tchéca (República), Turquia, Uruguai, Venezuela [Ver referências 01,
09 e 10].
3.2 – ESTRUTURA METROLÓGICA BRASILEIRA
Criado, como já visto no capítulo anterior, em 1973 pela lei n.º 5966, o Sistema Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial - SINMETRO, buscou integrar diversas funções interdependentes da infra-estrutura de serviços tecnológicos orientados para a qualidade e para a competitividade, que são a metrologia, a normalização técnica e a avaliação de conformidade.
FIG. 3.2: Estrutura Funcional do SINMETRO
O SINMETRO é supervisionado pelo Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (CONMETRO), o seu órgão normativo, que tem como principal competência formular, coordenar e supervisionar a política
nacional de metrologia, normalização industrial e avaliação de conformidade. Participam do CONMETRO oito Ministros de Estado, a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), o Instituto Brasileiro de Defesa do Consumidor (IDEC) e a Confederação Nacional da Indústria (CNI), sendo presidido pelo Ministro da Indústria, Comércio e Turismo e secretariado pelo Presidente do INMETRO. O CONMETRO, por sua vez, é assessorado por comitês com representação dos principais agentes econômicos, públicos e privados envolvidos especificadamente com as questões de normalização (CNN), certificação (CBC), credenciamento de laboratórios e organismos de inspeção (CONACRE), metrologia (CBM), normalização alimentícia (CODEX) e barreiras técnicas no comércio (CBTC). Compete ao CONMETRO, por meio do Comitê Brasileiro de Metrologia (CBM), a formulação da política metrológica brasileira.
3.2.1 – O INMETRO
O Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial - INMETRO, cujo diagrama organizacional é ilustrado a seguir, é a principal instituição brasileira nesses campos e, nos instantes iniciais do SINMETRO, foi formalmente encarregado de implementar o modelo, o que lhe valeu mandato de enorme envergadura. O INMETRO é uma autarquia federal (agência executiva), vinculada ao Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior (MDIC).
As funções de responsabilidade do INMETRO abrangem as atividades relacionadas à metrologia científica e industrial, à metrologia legal e à avaliação de conformidade. Atuando nas áreas da indústria, do comércio, das universidades, dos órgãos governamentais, da defesa do consumidor, das associações técnico - científicas, dos centros de pesquisas e entidades de classe, dentre suas competências destacam-se:
gerenciar o Sistema Brasileiro de Certificação da Qualidade;
coordenar a Rede Brasileira de Laboratórios de Calibração (RBC), a Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaios (RBLE) e a Rede Nacional de Metrologia Legal (RNML);
secretariar o CONMETRO e seus comitês técnicos;
desenvolver atividades de pesquisa básica e aplicada, em áreas críticas da metrologia;
supervisionar a emissão de regulamentos técnicos no âmbito governamental;
prover o país de padrões metrológicos primários e assegurar rastreabilidade dos padrões metrológicos das redes brasileiras de laboratórios credenciados.
Mais ainda, estar presente no cenário internacional, em fóruns tais como ISO, IAF, ILAC, IATCA, IAAC, SIM, CODEX, estando ainda amplamente integrado nos fóruns técnicos do MERCOSUL e ALCA.
3.2.2 – O LNM
O Laboratório Nacional de Metrologia - LNM, sob a responsabilidade gerencial do INMETRO, é o responsável pela realização, manutenção e disseminação do Sistema Internacional de Unidades (SI) no País, provendo a base para a rastreabilidade para as redes de laboratórios credenciados.
Até recentemente faziam parte do LNM os laboratórios da Diretoria de Metrologia Científica e Industrial - DIMCI do INMETRO em Xerém (Divisão de Metrologia Mecânica - DIMEC, Divisão de Metrologia Ótica - DIOPT, Divisão de Metrologia Térmica - DITER, Divisão de Metrologia Elétrica - DIELE e Divisão de Metrologia Acústica e de Vibrações - DIAVI), os laboratórios do Departamento do Serviço da Hora - DSHO - do Observatório Nacional - ON - e ainda o Laboratório
Nacional de Metrologia das Radiações Ionizantes - LNMRI - do Instituto de Radioproteção e Dosimetria - IRD - da Comissão Nacional de Energia Nuclear.
O LNM durante muitos anos cumpriu dois papéis necessários aos esforços de constituição do SINMETRO mas em princípio conflitantes: o de responsabilidade pela realização/reprodução, e disseminação das unidades do SI e a prestação de serviços de calibração à indústria, fazendo-o competir com a própria rede de calibração que na década de 80 começa a se formar.
Aliado a isso registre-se o custo de implantar a metrologia em nível primário fazendo com que o INMETRO delegasse a terceiros (ON/DSHO e IRD/LMRI) o desempenho de atividades no campo do Tempo e Freqüência e Radiações Ionizantes.
Em 1994 chegou-se à conclusão de que o LNM pode valer-se transitoriamente de laboratórios secundários credenciados na Rede Brasileira de Calibração Rede Brasileira de Calibração - RBC para disseminar as unidades com os melhores padrões disponíveis no País em áreas não cobertas pelo INMETRO. Convencionou-se chamar esses potenciais parceiros como integrantes de um Sistema Brasileiro de Referências Metrológicas.
No presente momento, como resultado do amplo processo de debates técnicos que precederam à formulação do PNM concluiu-se que o Brasil deve dispor de um único ente metrológico nacional e este é o LNM, composto somente dos laboratórios do INMETRO; conceitualmente todos os demais parceiros que podem transitoriamente responder pela disseminação das unidades com os melhores padrões disponíveis no País são laboratórios detentores de referência metrológica nacional, os LAREN.
Juntos, o LNM e os LAREN compõem o Sistema Brasileiro de Referências Metrológicas que irá operar em articulação com as redes de laboratórios credenciados.
3.2.3 – A RBC E A RBLE
Com o objetivo de disponibilizar ao País uma infra-estrutura de serviços básicos para a qualidade e competitividade, em atendimento à crescente demanda dos diferentes setores usuários de metrologia, foram criadas pelo INMETRO a Rede Brasileira de Calibração (RBC) e a Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaios (RBLE), congregando competências técnicas e
capacitações laboratoriais vinculadas à indústria, universidades e institutos de pesquisa tecnológica envolvidos com a prestação de serviços técnicos especializados de calibração de padrões, sistemas de medição, instrumentos e medidas materializadas e com a realização de ensaios especializados para atender necessidades dos diferentes setores demandantes, em particular para a certificação de conformidade de produtos.
Em ambos os casos, o credenciamento denota, com base em critérios e exigências, a comprovação da competência técnica, credibilidade e capacidade operacional dos laboratórios que integram esta infra-estrutura de serviços existentes no país. A concessão do credenciamento atribuído pelo INMETRO por intermédio de suas divisões de credenciamento DICLA (para laboratórios de calibração) e DICRE (para laboratórios de ensaios) efetua-se em conformidade com procedimentos baseados na ABNT ISO/IEC - Guia 25 e, nos casos pertinentes à prestação de serviços, nos critérios da ABNT ISO 9002, além daqueles específicos para os laboratórios de análises clínicas e toxicologia baseados nas Boas Práticas Laboratoriais - BPL.
De forma mais ampla, os laboratórios credenciados junto à RBC e à RBLE atuam na calibração de padrões/instrumentos de laboratórios metrológicos e/ou da indústria e na realização de ensaios que asseguram o provimento dos serviços metrológicos que estabelecem as salvaguardas da defesa do consumidor, da construção da cidadania, da saúde, da proteção e preservação do meio ambiente. Utilizando padrões rastreáveis a referências metrológicas mundiais de mais alta exatidão, esses laboratórios credenciados estabelecem o vínculo com as unidades do Système International d’Unités (SI), constituindo a base técnica necessária ao desenvolvimento do livre comércio entre as diferentes áreas econômicas dos mercados globalizados.
3.2.4 – A MATRIZ LABORATORIAL BRASILEIRA
Embora contando com um conjunto de laboratórios quantitativamente relevante, em Centros Tecnológicos, nos Institutos de Pesquisa e Desenvolvimento e nas empresas industriais, sem contar com um número relativamente grande de laboratórios de ensino. sabe-se que a matriz laboratorial brasileira cobre apenas as principais grandezas físicas, carecendo de importantes especialidades da metrologia e ainda exibindo vazios tecnológicos em algumas
