Histerese: O Que E, Causas e Como Afeta a Medicao
A histerese e um dos fenomenos mais importantes e, ao mesmo tempo, mais negligenciados na avaliacao do desempenho de instrumentos de medicao. Quando um manometro, um transdutor de pressao ou uma celula de carga indica um valor diferente para a mesma grandeza dependendo de a leitura ter sido alcancada por valores crescentes ou decrescentes, estamos diante da histerese. Esse comportamento afeta diretamente a exatidao, contribui para a incerteza de medicao e pode comprometer decisoes tecnicas em laboratorios e na industria.
Neste guia completo, voce entendera o que e histerese, quais sao suas causas fisicas, como ela e representada pela curva de histerese, como e quantificada durante a calibracao e de que forma ela se diferencia de conceitos proximos como zona morta e deriva instrumental. O objetivo e oferecer uma referencia tecnica solida, alinhada ao Vocabulario Internacional de Metrologia (VIM 2012) e as boas praticas da ABNT NBR ISO/IEC 17025:2017.
TL;DR — Resumo Essencial
Histerese e a diferenca entre as indicacoes de um instrumento para um mesmo valor do mensurando, quando esse valor e atingido por uma sequencia crescente e depois por uma sequencia decrescente. Ela decorre principalmente de folgas mecanicas, atrito, propriedades elasticas dos materiais e efeitos magneticos. Na calibracao, e medida aplicando ciclos de subida e descida e registrando a maior diferenca entre as curvas. Quanto maior a histerese, maior a contribuicao para a incerteza de medicao e menor a confiabilidade do instrumento.
O Que E Histerese na Medicao
Histerese e a propriedade de um instrumento de medicao apresentar indicacoes diferentes para um mesmo valor do mensurando, dependendo se esse valor foi alcancado a partir de valores crescentes ou decrescentes. Em outras palavras, o instrumento “lembra” do caminho percorrido, e essa memoria fisica gera uma discrepancia na leitura.
O termo tem origem no grego hysteresis, que significa “atraso” ou “deficiencia”. Esse atraso descreve com precisao o comportamento: a resposta do sistema fica “para tras” em relacao ao estimulo aplicado. O Vocabulario Internacional de Metrologia (VIM 2012, JCGM 200:2012) trata a histerese no contexto das caracteristicas metrologicas de instrumentos, associando-a a capacidade do sistema de medicao de fornecer indicacoes consistentes independentemente da trajetoria do sinal de entrada.
Na pratica, a histerese e expressa como a diferenca maxima entre a indicacao obtida na subida (carregamento crescente) e a indicacao obtida na descida (carregamento decrescente), para o mesmo ponto do mensurando. Costuma ser reportada em unidades da grandeza medida ou como percentual do span (faixa de medicao) do instrumento.
Causas Fisicas da Histerese
A histerese resulta de fenomenos fisicos internos que impedem o instrumento de responder de forma perfeitamente reversivel as variacoes do mensurando. As principais causas sao mecanicas, elasticas e magneticas.
- Folga mecanica (backlash): engrenagens, alavancas, articulacoes e sistemas de transmissao possuem pequenas folgas entre pecas. Ao inverter o sentido do movimento, essa folga precisa ser vencida antes que o ponteiro ou o elemento sensor volte a se mover, gerando defasagem.
- Atrito interno: o atrito estatico e dinamico entre componentes moveis (buchas, mancais, molas, diafragmas) dissipa energia e faz com que o sistema resista a mudancas de direcao, produzindo indicacoes distintas na subida e na descida.
- Propriedades elasticas dos materiais: molas, tubos de Bourdon, diafragmas e elementos elasticos nao retornam instantaneamente ao estado original apos a deformacao. Esse comportamento anelastico, ligado a memoria do material, e uma das fontes mais relevantes de histerese em manometros e celulas de carga.
- Magnetismo e histerese magnetica: em sensores baseados em nucleos ferromagneticos (LVDTs, transdutores indutivos, sensores de corrente), a magnetizacao do material segue um ciclo que nao e reversivel, conhecido como laco de histerese magnetica. O material retem parte da magnetizacao mesmo apos a remocao do campo.
- Deformacao permanente e fadiga: ciclos repetidos de carga podem induzir microdeformacoes plasticas que se somam ao efeito elastico, ampliando a histerese ao longo da vida util do instrumento.
Vale destacar que praticamente todo instrumento fisico apresenta algum grau de histerese. O objetivo da engenharia de instrumentacao e mante-la dentro de limites aceitaveis para a aplicacao, e o papel da calibracao e quantificar esse valor com rastreabilidade.
A Curva de Histerese
A curva de histerese e a representacao grafica que mostra a diferenca entre a resposta do instrumento no ciclo de subida e no ciclo de descida. No eixo horizontal coloca-se o valor do mensurando (entrada) e no eixo vertical a indicacao do instrumento (saida).
Quando o instrumento e submetido a valores crescentes, obtem-se uma curva ascendente. Ao inverter e aplicar valores decrescentes, obtem-se uma curva descendente que, em vez de coincidir com a primeira, forma um laco. A area entre as duas curvas representa visualmente a magnitude da histerese: quanto mais aberto o laco, maior o efeito. Um instrumento ideal, sem histerese, teria as duas curvas perfeitamente sobrepostas, formando uma unica linha.
Esse laco caracteristico e o mesmo conceito observado na curva B-H de materiais magneticos, onde a inducao magnetica nao acompanha linearmente o campo aplicado. A analogia ajuda a entender por que o fenomeno recebe o mesmo nome em contextos tao diferentes: em ambos os casos, a resposta depende da historia do estimulo.
Como a Histerese E Medida na Calibracao
Na calibracao, a histerese e quantificada aplicando ao instrumento um ciclo completo de valores crescentes seguido de um ciclo de valores decrescentes, registrando as indicacoes em cada ponto. A diferenca entre as leituras de subida e de descida, no mesmo ponto, define a histerese naquele ponto.
O procedimento tipico segue estas etapas:
- Preparacao: estabilizar termicamente o instrumento e o padrao de referencia, garantindo condicoes ambientais controladas (temperatura, umidade), conforme exigido pela ABNT NBR ISO/IEC 17025:2017.
- Ciclo crescente: aplicar o mensurando em pontos definidos, do zero (ou limite inferior) ate o fundo de escala, registrando a indicacao em cada ponto sem retroceder.
- Ciclo decrescente: a partir do fundo de escala, reduzir o mensurando pelos mesmos pontos ate o inicio da faixa, registrando novamente as indicacoes.
- Repeticao dos ciclos: repetir o processo (tipicamente tres ciclos) para avaliar tambem a repetitividade e obter dados estatisticos.
- Calculo: a histerese e a maior diferenca absoluta entre a media das indicacoes crescentes e a media das indicacoes decrescentes em qualquer ponto, geralmente expressa em percentual do span.
A histerese calculada e uma das componentes que alimentam o balanco de incerteza do certificado de calibracao. Instrumentos com histerese elevada exigem contribuicoes maiores no orcamento de incerteza, o que pode inviabilizar seu uso em medicoes criticas.
Impacto na Incerteza e na Exatidao
A histerese aumenta a incerteza de medicao porque introduz um erro que depende da trajetoria do sinal, algo que o operador nem sempre controla. Como o valor medido pode estar em qualquer ponto entre a curva de subida e a de descida, existe uma faixa de duvida associada a cada leitura.
Do ponto de vista da exatidao, a histerese contribui para o erro total do instrumento junto com a nao linearidade e a nao repetitividade. Em muitas especificacoes de fabricantes, esses tres efeitos sao combinados em um unico indice chamado “exatidao combinada” ou “precisao”. Ignorar a histerese leva a subestimar o erro real e pode resultar em decisoes equivocadas de conformidade.
No calculo da incerteza segundo o GUM (JCGM 100:2008), a histerese e frequentemente tratada como uma componente do Tipo B, modelada por uma distribuicao retangular quando se conhece apenas o valor maximo do efeito. A meia-largura da distribuicao corresponde a metade do valor de histerese, dividida pela raiz de tres para obter a incerteza padrao.
Exemplos Reais de Histerese
A histerese aparece em praticamente todos os tipos de instrumentos que envolvem elementos mecanicos ou materiais com memoria fisica. Veja exemplos concretos do dia a dia industrial e laboratorial:
- Manometro de tubo de Bourdon: o tubo metalico se deforma com a pressao e aciona o ponteiro por um sistema de engrenagens. A combinacao de elasticidade do tubo e folga das engrenagens gera histerese perceptivel entre pressurizacao e despressurizacao.
- Transdutor de pressao: o diafragma sensor e a eletronica associada apresentam pequena histerese, especialmente em transdutores de baixo custo. Em aplicacoes criticas, especifica-se histerese abaixo de 0,1 % do span.
- Celula de carga: o corpo elastico (spring element) submetido a ciclos de carga e descarga apresenta histerese mecanica, um dos parametros mais controlados em balancas de precisao e ensaios de forca.
- Sensor de deslocamento (LVDT): apesar de ser um sensor de baixissimo atrito, o nucleo ferromagnetico pode introduzir histerese magnetica, relevante em medicoes de alta resolucao.
- Termostatos e valvulas de controle: exibem histerese proposital (banda morta de comutacao) para evitar chaveamento excessivo, o que mostra que nem sempre a histerese e indesejada.
Histerese, Zona Morta e Deriva: Diferencas
Histerese, zona morta e deriva sao fenomenos distintos que muitas vezes sao confundidos, mas afetam a medicao de maneiras diferentes. A tabela abaixo resume as diferencas essenciais.
| Caracteristica | Histerese | Zona morta | Deriva instrumental |
|---|---|---|---|
| Definicao | Diferenca de indicacao para o mesmo valor, entre subida e descida | Faixa de variacao do mensurando que nao produz mudanca perceptivel na indicacao | Variacao lenta e continua da indicacao ao longo do tempo, sem mudanca do mensurando |
| Depende de | Trajetoria (crescente x decrescente) | Sensibilidade e atrito ao redor de um ponto | Tempo, envelhecimento, temperatura |
| Como detectar | Ciclos de subida e descida na calibracao | Pequenas variacoes ao redor de um ponto fixo | Monitoramento periodico ao longo de dias, meses |
| Causa tipica | Folga, atrito, elasticidade, magnetismo | Atrito estatico, resolucao limitada | Envelhecimento de componentes, desgaste |
Em resumo, a zona morta esta ligada a insensibilidade do instrumento a pequenas variacoes ao redor de um ponto, enquanto a deriva instrumental descreve a mudanca da indicacao ao longo do tempo. Ja a histerese e um efeito puramente dependente do sentido em que o mensurando foi variado. Compreender essas distincoes e essencial para interpretar corretamente um certificado de calibracao e para avaliar a incerteza de medicao.
Erros Comuns na Interpretacao da Histerese
Diversos erros de interpretacao comprometem a avaliacao correta da histerese. Conhece-los ajuda o profissional de metrologia a evitar conclusoes equivocadas.
- Confundir histerese com repetitividade: a repetitividade avalia leituras no mesmo sentido; a histerese compara sentidos opostos. Sao componentes independentes da incerteza.
- Calibrar so na subida: executar apenas o ciclo crescente mascara completamente a histerese, subestimando o erro do instrumento.
- Ignorar a histerese no balanco de incerteza: deixar de incluir a componente de histerese produz um valor de incerteza otimista e nao realista.
- Assumir que histerese e constante: ela pode variar ao longo da faixa e aumentar com o envelhecimento e o desgaste do instrumento.
- Nao estabilizar o instrumento: mudancas de temperatura durante o ensaio podem se somar a histerese e distorcer o resultado.
Como Reduzir a Histerese
Reduzir a histerese envolve intervir nas suas causas fisicas por meio de projeto adequado, manutencao e selecao de materiais. As acoes mais eficazes sao:
- Usar materiais de alta qualidade elastica: ligas com baixo comportamento anelastico reduzem a histerese em elementos como molas e tubos de Bourdon.
- Minimizar folgas mecanicas: reduzir o numero de engrenagens e articulacoes, ou usar sistemas antifolga, diminui o backlash.
- Reduzir o atrito: mancais de baixo atrito, lubrificacao adequada e sensores sem contato (como LVDT) atenuam o efeito.
- Realizar manutencao preventiva: limpeza, ajuste e verificacao periodica mantem a histerese sob controle ao longo da vida util.
- Selecionar instrumentos adequados a aplicacao: em medicoes criticas, escolher instrumentos com especificacao de histerese compativel com a tolerancia exigida.
Aprenda Mais com os Cursos Online da Cirius Quality
Para dominar a avaliacao de histerese, incerteza e demais caracteristicas metrologicas dos instrumentos, a Cirius Quality oferece cursos online praticos e atualizados:
- Curso Online de Metrologia — fundamentos da metrologia, grandezas, unidades e caracteristicas metrologicas dos instrumentos, incluindo histerese, zona morta e deriva.
- Curso Online Calibracao de Equipamentos e Instrumentos de Medicao — procedimentos praticos de calibracao com ciclos crescente e decrescente, quantificacao da histerese e montagem do balanco de incerteza.
- Curso Online Analise de Certificado de Calibracao — como interpretar corretamente os resultados de histerese, incerteza e erros reportados em um certificado.
Conclusao
A histerese e uma caracteristica metrologica inevitavel na maioria dos instrumentos de medicao, causada por folgas mecanicas, atrito, propriedades elasticas dos materiais e efeitos magneticos. Avalia-la corretamente durante a calibracao, por meio de ciclos crescente e decrescente, e fundamental para estimar a incerteza de medicao, garantir a exatidao e tomar decisoes confiaveis de conformidade. Diferenciar histerese de conceitos como zona morta, deriva instrumental, incerteza de medicao e o proprio processo de calibracao e um passo essencial para qualquer profissional da area.
Para aprofundar seus conhecimentos em histerese e caracteristicas metrologicas de instrumentos, conheca os cursos e servicos de consultoria da Cirius Quality. Com mais de 40 anos de experiencia, ajudamos organizacoes a alcancar excelencia em gestao da qualidade, metrologia e calibracao.
Perguntas Frequentes
O que causa a histerese em um instrumento de medicao?
A histerese e causada principalmente por folgas mecanicas (backlash), atrito interno entre componentes, propriedades elasticas e anelasticas dos materiais e efeitos de histerese magnetica em sensores com nucleo ferromagnetico. Esses fatores fazem o instrumento indicar valores diferentes na subida e na descida.
Como a histerese e expressa em um certificado de calibracao?
Geralmente a histerese e expressa como a maior diferenca entre as indicacoes crescentes e decrescentes no mesmo ponto, em unidades da grandeza medida ou como percentual do span (faixa de medicao) do instrumento. Ela tambem contribui como componente do balanco de incerteza.
Qual a diferenca entre histerese e zona morta?
A histerese e a diferenca de indicacao para o mesmo valor, dependendo se ele foi atingido por valores crescentes ou decrescentes. A zona morta e a faixa de variacao do mensurando que nao produz mudanca perceptivel na indicacao. Uma depende da trajetoria, a outra da sensibilidade ao redor de um ponto.
A histerese pode ser eliminada por completo?
Nao. Praticamente todo instrumento fisico apresenta algum grau de histerese. E possivel reduzi-la com bons materiais, minimizacao de folgas, reducao de atrito e manutencao adequada, mas nunca elimina-la totalmente. O objetivo e mante-la dentro de limites aceitaveis para a aplicacao.
A histerese aumenta a incerteza de medicao?
Sim. A histerese introduz uma faixa de duvida em cada leitura, pois o valor real pode estar entre a curva de subida e a de descida. Por isso ela e incluida como componente do Tipo B no balanco de incerteza, tipicamente modelada por uma distribuicao retangular conforme o GUM (JCGM 100:2008).
0 comments
Write a comment