Calibração de células de carga: procedimento, classes e intervalos

O que a calibração de uma célula de carga verifica

Uma calibração aplica forças conhecidas ao dispositivo de medição de força e regista a saída em cada uma. O dispositivo pode ser a célula sozinha, a célula com o amplificador ou toda a cadeia até ao indicador. A DKD-R 3-3 trata esses casos como três itens de calibração diferentes (3.1), porque o certificado de um transdutor calibrado sem o seu amplificador só vale diretamente com um amplificador idêntico (secção 8).

O resultado depende do que foi calibrado. Um equipamento com indicador próprio recebe um erro de indicação em unidades de força. Um transdutor sozinho recebe um coeficiente de transmissão, por exemplo em mV/V por newton (DKD-R 3-3, secção 7). O mesmo ensaio também mostra como as leituras se repetem, quanto as forças descendentes diferem das ascendentes, como a saída deriva sob força constante e se a célula volta ao zero.

Comparar esses resultados com um limite e registar Conforme ou Não conforme é uma verificação contra uma especificação. Um certificado pode trazer tanto os valores medidos quanto essa declaração.

• Calibração vs verificação

As normas: ISO 376, ASTM E74, OIML R 60 e DKD-R 3-3

A ISO 376:2011 é a norma internacional para instrumentos de medição de força usados na verificação de máquinas de ensaio uniaxial. Aplica-se a instrumentos que determinam a força a partir da deformação elástica de um elemento carregado e define como classificá-los. A ISO indica que a edição de 2011, a edição 4, está em vigor.

A ASTM E74-18(2026) é a prática americana para calibrar instrumentos de medição de força usados na verificação de máquinas de ensaio. A maioria dos laboratórios de força dos EUA trabalha com ela, e o NIST informa que também trabalha. O manual de acreditação NVLAP do NIST (HB 150-2e2024, D.1.2) exige que os laboratórios de força sigam a ASTM E74, a ISO 376 ou ambas.

A DKD-R 3-3 é a diretriz de calibração do serviço alemão de calibração, publicada pelo PTB. A edição 03/2024, revisão 1, é gratuita. Abrange equipamentos que medem força por deformação elástica e que podem ser carregados na subida e na descida, com quatro sequências de calibração graduadas por esforço. A mais completa baseia-se na ISO 376. Não define mais classes próprias.

A OIML R 60-1:2021 é a recomendação de metrologia legal para células de carga usadas em instrumentos de pesagem. Define as classes de exatidão e os limites de erro que um projeto deve cumprir para a aprovação de modelo, portanto não é um procedimento de calibração de rotina.

O Guia de Calibração n.º 4 da EURAMET, versão 3.0 (2022), trata da incerteza nas calibrações de força pela ISO 376 e em outras. O Guide to the Measurement of Force, escrito pelo NPL e pelo Institute of Measurement and Control e reeditado em 2025, é uma referência prática gratuita.

O que significam as classes da ISO 376

A ISO 376 classifica um instrumento de medição de força nas classes 00, 0,5, 1 ou 2, sendo a classe 00 a melhor. A classe baseia-se em várias grandezas medidas em conjunto, entre elas a reprodutibilidade, a repetibilidade, a interpolação, o erro de zero e a fluência ou a reversibilidade. Para manter uma classe, um instrumento tem de cumprir todos os critérios dessa classe.

A análise pode seguir dois caminhos (Guia EURAMET n.º 4, 6.1). Um instrumento classificado para interpolação pode ser usado em qualquer ponto da gama, com a força calculada por uma equação ajustada. Um instrumento classificado para forças específicas só pode ser usado nas forças de calibração. Veja qual dos dois o seu certificado indica antes de ler a célula entre pontos de calibração.

A EURAMET calcula o pior caso para um instrumento que cumpre por pouco uma classe. A tabela mostra os limites por trás desse número e o resultado, sem a contribuição da temperatura. Um instrumento real pode ficar abaixo desse limite.

• Como montar um balanço de incerteza de medição
• Calculadora de balanço de incerteza de medição

Faixas de carga da ASTM E74: Class AA e Class A

A ASTM E74 funciona de outra forma. Ajusta uma equação de calibração aos dados e calcula um fator de limite inferior, ou LLF, uma estimativa estatística do erro nas forças obtidas com essa equação. O guia da EURAMET (6.2) descreve as duas gamas de carga normalizadas: a Class AA começa em 2000 vezes o LLF e a Class A em 400 vezes o LLF.

Para uma célula com LLF de 2 N, a gama Class A começa em 800 N e a gama Class AA em 4000 N. Forças abaixo desse limite inferior ficam fora da gama de carga dessa classe.

Peso morto ou comparação: como escolher a referência

Uma máquina de peso morto suspende massas conhecidas no campo gravitacional da Terra. A força é F = Mg(1 - ρa/ρw), em que M é a massa verdadeira, g é a aceleração local da gravidade e ρa e ρw são as massas volúmicas do ar e dos pesos (NIST HB 150-2e2024, D.1.4.1.6). Um padrão primário segundo a ASTM E74 não tem alavancas, multiplicadores hidráulicos nem contrapesos entre os pesos e o instrumento (D.1.4.1.2).

Uma calibração por comparação coloca a célula em série com um ou mais transdutores de força de referência e carrega todos em conjunto, em geral numa máquina de ensaio ou um quadro de comparação. É mais rápida e alcança forças que uma pilha de pesos mortos não alcança, com incerteza maior. A referência precisa de calibração própria vigente. O NIST usa máquinas de peso morto até 4,45 MN, a maior das seis, e comparação acima disso.

Quanto melhor tem de ser a referência? O Guide to the Measurement of Force (7.5.1) sugere uma incerteza da máquina de calibração três vezes melhor do que a exatidão exigida do sistema. A ISO 376 vai além e vincula cada classe a uma incerteza máxima da força aplicada, mostrada na tabela de classes acima.

• Calculadora de TUR e TAR
• Calibração interna ou externa

Preparação: toda a cadeia, temperatura, pré-cargas e alinhamento

Calibre toda a cadeia sempre que possível. O Guide to the Measurement of Force (7.5.1) recomenda usar os mesmos cabos, instrumentos e fontes de alimentação usados em serviço. Se o laboratório usar o próprio indicador, o certificado tem de o indicar e a intercambialidade fica a cargo do proprietário (DKD-R 3-3, secção 5).

Deixe tudo atingir o equilíbrio térmico. A DKD-R 3-3 (secção 4) segue a ISO 376: uma temperatura estável dentro de ±1 K em algum ponto entre 18 °C e 28 °C, com 19 °C a 23 °C recomendados na Alemanha. O manual NVLAP do NIST recomenda 23 °C (D.1.3.2). Mantenha a cadeia ligada até estabilizar e leia o sinal de zero do transdutor sem carga numa posição definida. Uma mudança em relação à última calibração pode revelar uma sobrecarga (secção 5).

Calibre cada sentido de força separadamente. Depois de cada montagem ou mudança de sentido, aplique a pré-carga até a força máxima por pelo menos 1 minuto e leia o zero cerca de 30 segundos depois de o transdutor ficar totalmente descarregado. A DKD-R 3-3 pede três pré-cargas se a célula for projetada para tração e compressão, e duas se ela carregar num só sentido ou se o proprietário puder informar o sentido do último uso (secção 5).

Carregue a célula no seu eixo e com os acessórios usados em serviço. As peças de montagem fazem parte do item calibrado e devem seguir o anexo A da ISO 376 ou reproduzir as condições de uso (DKD-R 3-3, 3.3). O NIST coloca o alinhamento exato do eixo do transdutor em primeiro lugar entre os seus procedimentos básicos de calibração de força.

Patamares de força: quantos e em que ordem

Distribua os patamares de força de maneira uniforme pela gama. A DKD-R 3-3 (secção 5) pede pelo menos 3 patamares por série, sem contar o zero, ou pelo menos 5 se for desejada uma equação de terceiro grau, por exemplo em 20, 40, 60, 80 e 100%. Espere o mesmo tempo em cada patamar, pelo menos 30 segundos, e não leia antes de 30 segundos do início da mudança de força. Registe o sinal sem carga antes e depois de cada série.

A ISO 376 é o método mais completo. O guia da EURAMET (6.1) baseia uma classificação para interpolação em pelo menos 32 valores de deflexão, ou seja, quatro séries crescentes com oito patamares de força. O seu exemplo do anexo A usa 10 patamares e seis séries, com o instrumento a 0°, 120° e 240°.

Menos séries significam depender mais de outros conhecimentos, como uma calibração anterior pela ISO 376 ou a ficha técnica (DKD-R 3-3, secção 5). A DKD-R 3-3 deixa claro que as sequências reduzidas não podem dar incerteza menor do que o procedimento completo no mesmo item (secção 1). Aproxime-se de cada força sempre no mesmo sentido e deixe estabilizar. Se passar de um patamar, volte além dele e aproxime-se de novo (Guide to the Measurement of Force, 7.5.2).

• Folha de leituras antes do ajuste e após o ajuste com pontos de ensaio na gama

Histerese, fluência e retorno ao zero

A histerese é a diferença de saída entre força crescente e decrescente na mesma força. Em geral é maior perto do meio da gama (Guide to the Measurement of Force, 3.5). A ISO 376 chama a essa grandeza reversibilidade. Uma célula usada só com forças crescentes não precisa de um termo de reversibilidade na sua incerteza, mas uma que mede na descida precisa dele (Guia EURAMET n.º 4, 7.1).

A fluência é a mudança da saída ao longo do tempo depois de um degrau de força. Os fabricantes costumam informar a maior mudança num tempo definido depois de passar de zero à força nominal, por exemplo 0,03% da saída nominal em 30 minutos. A recuperação de fluência é o mesmo efeito depois da retirada da força (Guide to the Measurement of Force, 3.5). A medida de fluência da EURAMET para a ISO 376 é a mudança da saída entre 30 e 300 segundos após aplicar ou retirar a força máxima, em relação à deflexão na força máxima.

O retorno ao zero compara o sinal sem carga antes e depois da aplicação de uma força. A ISO 376 exprime-o como um erro de zero, a diferença entre essas leituras em relação à deflexão na força máxima (Guia EURAMET n.º 4, 6.1). Compare-o com calibrações anteriores. Segundo o NVLAP, uma sobrecarga que muda a saída em força zero em 1% ou mais exige recalibração antes de novo uso (HB 150-2e2024, D.1.4.4.2).

• A OIML R 60-1:2021 limita a fluência de células de carga para balanças: num ensaio de 30 minutos na carga máxima, a mudança não pode passar de 0,7 vez o erro máximo admissível para essa carga (5.5.1).
• A mudança entre 20 e 30 minutos não pode passar de 0,15 vez esse erro (5.5.1).
• A saída em carga mínima tem de voltar a menos de 0,5 v da leitura inicial depois do ensaio de fluência, sendo v o escalão de verificação da célula (5.5.2).

Células de carga em balanças: classes da OIML R 60

A OIML R 60-1:2021 classifica as células de carga de instrumentos de pesagem em quatro classes de exatidão, A, B, C e D, pelo número de escalões de verificação em que podem ser divididas (5.1.1, 5.1.2). A designação usual combina a classe com esse número em milhares: C3 significa classe C com 3000 escalões.

Os limites de erro são dados em escalões de verificação e aumentam com a carga. Pela tabela 4, uma célula de classe C pode desviar-se 0,5 v até uma carga de 500 v, 1,0 v até 2000 v e 1,5 v até 10 000 v, cada valor multiplicado por um fator de repartição de 0,7, salvo se o fabricante declarar outro valor. Esses limites incluem a histerese, portanto valem na subida e na descida (5.3).

A OIML R 60 aprova o projeto de uma célula. Depois de instalada numa balança, o que se calibra ou verifica com massas de ensaio é a balança inteira.

• Calibração de balanças

Na máquina ou na bancada

O Guide to the Measurement of Force (7.4) descreve três opções. A preferida para baixa incerteza mantém o transdutor instalado de forma permanente e o compara em intervalos com um padrão de transferência colocado em série. Um transdutor removível pode ir a um laboratório, o que dá uma calibração exata da célula, mas não capta os efeitos da instalação, como atrito, relações de alavanca e alinhamento.

A terceira opção, uma célula instalada de forma permanente sem calibração periódica, depende de uma grande margem inicial. Uma calibração periódica por shunt e a verificação de um ou mais pontos, incluindo o zero, dão alguma confiança, mas qualquer declaração de rastreabilidade tem de ter em conta a incerteza da calibração por shunt.

Um laboratório oferece condições de referência estáveis. O trabalho no local é escolhido por conveniência ou custo, ou para calibrar nas condições exatas de uso (7.5.1). Em qualquer caso, reproduza o melhor possível as condições de apoio da aplicação.

Leituras antes do ajuste, ajuste e uma célula de carga fora da tolerância

Calibração e ajuste são operações separadas. Acorde primeiro se o equipamento pode ser ajustado e peça resultados antes do ajuste e também após o ajuste, já que o Guide to the Measurement of Force (7.5.1) adverte que os dados antes do ajuste podem ser vitais para a rastreabilidade do processo.

Se algum resultado antes do ajuste estiver fora do limite, a célula ficou fora da tolerância durante uma parte desconhecida do tempo desde a sua última calibração conforme. A cláusula 7.1.5.2 da ISO 9001 espera que volte ao que ela mediu e resolva o que possa estar errado. Numa célula de carga, veja as máquinas de ensaio verificadas com ela, os resultados de ensaio dessas máquinas e qualquer pesagem ou decisão de produto baseada nas suas leituras.

• O que fazer quando um instrumento falha a calibração
• Leituras antes do ajuste e após o ajuste

Com que frequência calibrar uma célula de carga

A ISO 376:2011 permite até 26 meses depois de demonstrada a estabilidade. A ASTM E74-18 limita o intervalo a 24 meses, com critérios de estabilidade de 0,032% para a Class AA e 0,16% para a Class A, como metrologistas de força do National Institute of Standards (NIS) do Egito expõem num artigo de 2026 sobre a validade das medições de força. São tetos, não metas.

O Guide to the Measurement of Force (7.5.1) recomenda partir da especificação de estabilidade de longo prazo do fabricante. Aumente o período se várias calibrações não mostrarem mudança apreciável de sensibilidade e reduza-o se mostrarem mudança significativa. Manuseamento brusco, uso frequente ou longo e o ambiente podem pedir um intervalo menor, e a decisão é do utilizador.

Recalibre antes, seja qual for a data, depois de uma reparação ou uma modificação que possa mudar a curva de calibração e depois de uma sobrecarga que desloque a saída em força zero em 1% ou mais (NIST HB 150-2e2024, D.1.4.4). Entre calibrações, o Guide sugere verificações periódicas do zero e de um ponto bem definido. Registe o motivo de qualquer mudança de intervalo. A ILAC-G24:2022 / OIML D 10:2022 lista os fatores a considerar, entre eles a deriva e a severidade de uso (5.1).

• Como definir intervalos de calibração
• Verificações intermédias entre calibrações
• Calculadora de intervalo de calibração
• Calculadora de taxa de deriva e intervalo de calibração

O que o certificado e o registo devem mostrar

Um certificado de calibração de força segue a cláusula 7.8 da ISO/IEC 17025:2017 e acrescenta conteúdo próprio de força, listado na secção 8 da DKD-R 3-3 e em D.1.6 do NVLAP HB 150-2e2024. Guarde os mesmos dados numa calibração interna para que outra pessoa possa repeti-la.

• A identificação do transdutor ou da cadeia e os acessórios de introdução de força usados.
• A norma ou a sequência seguida, como a ISO 376 ou a sequência B da DKD-R 3-3, e a origem de qualquer contribuição vinda de conhecimento prévio.
• A máquina de calibração de força usada e a sua incerteza.
• O sentido da força e a temperatura, com os seus limites durante a calibração.
• A tensão de alimentação, a cablagem (4 fios ou 6 fios), o comprimento do cabo e os ajustes do amplificador.
• As forças aplicadas, as deflexões, a equação ajustada e os seus desvios, e a incerteza.
• O sinal de zero do transdutor sem carga.
• Quando houver classe ou declaração de conformidade, a regra usada e a origem dos limites.
• Os resultados antes do ajuste e após o ajuste, a data, quem fez o trabalho e a próxima data de calibração.

• Modelo de certificado de calibração (Excel)
• Requisitos do certificado de calibração

Onde o Axiospec entra

O Axiospec é um software de gestão de calibração. Guarda cada célula de carga e cada transdutor de força com o seu histórico de calibrações, os seus certificados e a próxima data de calibração, e cada calibração indica o padrão de referência usado. Um registo de calibração comporta até 100 pontos de ensaio. Cada ponto tem o seu valor nominal, a sua tolerância como banda absoluta, como percentagem do nominal ou como percentagem do span, o sentido da leitura, ascendente ou descendente, e as leituras antes do ajuste e após o ajuste. O certificado que o Axiospec gera inclui esses pontos.

Numa calibração interna, uma leitura final fora da sua tolerância define o resultado como Não conforme, e registar um Conforme mesmo assim exige um motivo por escrito. Um Não conforme coloca a célula em quarentena. Um Não conforme, ou um Conforme com uma leitura antes do ajuste fora da tolerância, pede que anote o que a célula mediu desde a última calibração conforme, e os que ainda não foram escritos aparecem em Requer atenção. O Axiospec não faz a calibração, não ajusta a curva nem escolhe a classe ou o intervalo. Isso fica consigo ou com o seu laboratório.

O plano gratuito cobre até 50 instrumentos ativos. Um espaço de trabalho novo começa com um período experimental de 45 dias do Professional, com espaço para 1500 instrumentos ativos e sem cartão de crédito. Nós carregamos os seus registos existentes sem custo, em qualquer plano.

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