Calibração e ajuste em análise térmica

 
Slide 0: Calibração e ajuste em análise térmica

Senhoras e senhores,

Bem-vindo a nosso seminário sobre calibração e ajuste para instrumentos de análise térmica.

Slide 1: Tópicos

Neste seminário, eu gostaria de explicar por que a calibração e os ajustes regulares são importantes durante o ciclo de vida do seu instrumento.

• Darei algumas informações de panorama geral.
• Descreverei o fluxo de trabalho simples para calibração e ajuste.
• Mostrarei diferentes possibilidades de ajuste.
• Por fim, apresentarei um conceito exclusivo da METTLER TOLEDO: FlexCal^®, o banco de dados para parâmetros de ajuste.

Slide 2: Informações de panorama geral - Por que calibrar e ajustar seu instrumento?

Vamos falar sobre sua motivação para calibrar e ajustar.

De forma geral, cada instrumento vem totalmente ajustado do fabricante.

Você pode se perguntar: "Se é assim, por que devo calibrar (e ajustar) meu instrumento?"

Com o tempo, todo instrumento de alta precisão sofre com o desgaste e panes.

Isso tem um impacto sobre seu desempenho e, obviamente, sobre a confiabilidade dos resultados.

Portanto, é altamente aconselhável programar rotinas regulares de calibração como parte de um plano de manutenção básica para descobrir deficiências.

O objetivo da calibração e ajuste é fornecer um sistema de medição que sempre gere resultados reprodutíveis e precisos.


Slide 3: Informações de panorama geral - Definições: veracidade, precisão, exatidão (1)

Antes de prosseguir para o procedimento de calibração de fato, preciso esclarecer alguns termos. Um conjunto de termos trata de estatísticas, e o outro, de calibração e ajuste.

Precisamos conhecer bem esses termos primeiro para entendermos o que estamos tentando realizar.

O que são veracidade, exatidão e precisão? Esses três termos tratam da distribuição de resultados obtidos durante um conjunto de medições.

Veracidade é um parâmetro que descreve a proximidade de um acordo entre um valor médio obtido a partir de um grande número de resultados de teste e um valor de referência aceito, também chamado de valor "verdadeiro".

Exatidão é um parâmetro que descreve a proximidade de um acordo entre um resultado de teste e um valor de referência aceito.

Precisão é um parâmetro que descreve a dispersão dos dados em torno de um valor médio.

Se observarmos a figura no slide, os valores medidos devem estar o mais próximo possíveis do valor verdadeiro, e o desvio padrão, que descreve a precisão, deve ser o menor possível.

O próximo slide ilustra esse conceito na forma de um alvo.


Slide 4: Informações de panorama geral - Definições: veracidade, precisão, exatidão (2)

Obtemos resultados precisos apenas na imagem A: a dispersão dos dados é pequena, e os pontos de dados estão próximos do centro do alvo. É isso que queremos alcançar se quisermos resultados confiáveis.

As imagens B, C e D representam resultados indesejáveis: certamente temos um misto de "acertos" aleatórios e não aleatórios, mas, definitivamente, os resultados não são aceitáveis.

Na próxima seção, explicarei como podemos obter os melhores resultados conforme mostrado na imagem A.


Slide 5: Informações de panorama geral - Definições: Calibração e ajuste

Na seção anterior, falamos sobre resultados confiáveis do ponto de vista estatístico.

Queremos poder confiar nos dados que o instrumento de medição forneceu. Mas como podemos realizar esse objetivo?

Precisamos investir um pouco de tempo e esforço para calibrar e talvez ajustar o instrumento como parte de um plano de manutenção regularmente programada.

Porém, antes de prosseguirmos para o procedimento, preciso definir mais alguns termos: calibração, ajuste, limite de tolerância e substância de referência.

Calibração é o ato de verificar (por comparação com uma substância de referência) a exatidão de um instrumento de medição. Isso significa que você fará uma comparação de um resultado de medição usando uma substância de referência para a qual o valor "verdadeiro" da propriedade medida é conhecido.

Ajuste é definido como a modificação dos parâmetros do instrumento específico de forma que os resultados da medição da calibração realizada em seguida fiquem dentro do limite de tolerância.

O limite de tolerância é definido como os limites externos específicos para desvios permitidos em relação a um valor "verdadeiro". O limite de tolerância é responsabilidade do operador e depende dos requisitos de exatidão definidos por ele.

Idealmente, o sistema de medição deve gerar resultados com um erro menor que o limite de tolerância definido pelo operador.

Para as medições de calibração, são necessários métodos de calibração, além de padrões, conhecidos amplamente como substâncias de referência.

Uma substância de referência é uma substância adequada para a medição de calibração e cujas propriedades específicas usadas para calibração, como seu ponto de fusão, entalpia de fusão ou módulo, sejam bem-estabelecidas e aceitas.

Uma substância de referência é considerada adequada se for de fácil manipulação, prontamente disponível e estável.

Material de referência certificado é uma substância de referência que tenha um ou mais valores de propriedade rastreáveis de acordo com padrões primários.

Todas as substâncias de referência são entregues com um documento certificando determinadas propriedades do material.

A METTLER TOLEDO, por exemplo, oferece metais como índio, zinco e alumínio.

Essas substâncias são certificadas em termos de sua pureza, mas não em termos de quantidades físicas, como entalpia.

Um material de referência certificado vem com um certificado para a certificação da transição vítrea de uma substância específica.

Para áreas reguladas, o material de referência certificado deve estar disponível e poder ser obtido com a LGC, a NIST ou a PTB.

Contudo, se for necessário certificar seu instrumento a altas temperaturas, talvez haja algumas restrições, pois nenhum fornecedor pode entregar materiais certificados dessa maneira.

Por exemplo, não existe nenhuma substância certificada em termos de entalpia a 1.000 °C ou mais.


Slide 6: Informações de panorama geral - O que precisa ser calibrado?

Dependendo de seu tipo, cada instrumento tem diferentes parâmetros que precisam ser levados em consideração para a calibração.

A temperatura precisa ser calibrada para todos os instrumentos. Além disso, a quantidade específica medida pelo instrumento tem que ser calibrada; por exemplo, fluxo de calor para DSC ou deslocamento na TMA.


Slide 7: Informações de panorama geral - Fatores que têm impacto

Infelizmente, a maioria dessas quantidades é afetada pelas condições experimentais. As técnicas que exigem um cadinho, por exemplo, estão sujeitas às propriedades do cadinho, que, por sua vez, geram um efeito sobre o resultado de medição. Essas propriedades são condutividade térmica, massa e tamanho.

Outros desses fatores experimentais são a atmosfera do forno, a vazão do gás de purga e os diversos suportes de amostra usados em cada tipo de instrumento.

Felizmente, esses efeitos fenomenológicos podem ser eliminados pela calibração, e os valores medidos para sua amostra não serão influenciados por esses fatores externos.

Vamos ver como isso é feito.


Slide 8: Procedimento de calibração

Então, quando a calibração é necessária?
As possíveis ocasiões são:

• com um novo instrumento
• após o decorrer de um período de tempo especificado
• quando um instrumento tiver sofrido um choque ou vibrações que possam tê-lo deixado descalibrado
• sempre que as observações parecerem questionáveis

A calibração e o ajuste de qualquer instrumento consiste em duas etapas principais: preparação e após um fluxo de trabalho simples. Descreverei essas etapas em detalhes à medida que formos avançando.


Slide 9: Preparação

A primeira parte começa com

1. Preparação, que consiste na definição da combinação e do método de medição.

• Isso inclui todos os parâmetros do seu experimento, como a seleção do cadinho, da atmosfera, da taxa de aquecimento etc.
  

Os métodos de calibração podem ser fornecidos pelo fabricante, ou você pode desenvolver seus próprios métodos para suas necessidades específicas.

• Você também precisa definir limites de tolerância para seu procedimento analítico.
• Não se esqueça de definir o intervalo de calibração.
• Selecione o número e o tipo certos de substâncias de referência. Na próxima seção, discutirei as substâncias de referência, pois elas são muito importantes.

Por fim, caso seu procedimento analítico mude, talvez seja necessário adaptar seu método de calibração para acompanhar essa mudança.

Slide 10: Escolha de substâncias de referência

Imagine que você tenha que calibrar seu instrumento para uma ampla faixa de temperatura. Nesse caso, não é suficiente calibrar para apenas uma temperatura. Você deve escolher diversas substâncias de referência.

O diagrama mostra uma curva com erro teórico e uma curva de correção parabólica baseada em três substâncias de referência ao longo de uma ampla faixa de temperatura.

A faixa do erro é minimizada entre 100 °C e 500 °C entre as três substâncias de referência. A temperaturas muito inferiores a 50 °C, a curva de erro diverge excessivamente. Isso pode ser visto no canto superior esquerdo da imagem, com a curva azul.

Observe que, para duas substâncias de referência a faixa de erro é muito maior. Isso pode ser visto pela linha vermelha no canto inferior esquerdo da imagem.

Portanto, podemos chegar às seguintes conclusões:

Quanto mais substâncias de referência, melhor.

As substâncias de referência devem abranger a gama de interesse.

Não se deve extrapolar 50 °C acima ou abaixo dos limites de tolerância externos definidos.

Slide 11: Tomada de decisão

Depois de concluir a preparação e realizar uma calibração, começa a fase da tomada de decisão.

Em geral, há duas rotas.

• Se os valores de calibração estiverem OK, você pode medir suas amostras. Isso, obviamente, partindo do princípio de que o intervalo de calibração não tenha expirado.
• Se os valores de calibração não estiverem dentro dos limites de tolerância definidos, será necessário ajustar o instrumento.
  

Slide 12: Procedimento de ajuste - DSC

Partindo do princípio de que os resultados do procedimento de calibração exigem que você ajuste o instrumento, você poderá, mais uma vez, seguir um procedimento simples de ajuste.

Baseei este e os próximos exemplos nos parâmetros de uma DSC. Eles são atraso tau, temperatura e ajuste de sensor.

Talvez algumas pessoas nunca tenham visto o termo "atraso tau". Por isso, quero fazer uma breve descrição do que ele é sem entrar em muitos detalhes.

Ele é uma constante de tempo que descreve o comportamento do forno e garante que a influência aparente da taxa de aquecimento não tenha nenhum efeito sobre os resultados.

Observe que cada instrumento já está ajustado de fábrica para o atraso tau. Se for de fato necessário, ele pode ser reajustado por um especialista.

Vamos nos concentrar no panorama geral, no lado direito. Esta é uma ampliação da área marcada em azul, no lado esquerdo do slide.

O fluxo de trabalho para realizar um ajuste é simples.

Para cada tipo de calibração, temperatura e calibração de sensor, respectivamente, o procedimento é o mesmo.

1. Como os valores não estão dentro dos limites de tolerância definidos, será necessário ajustar o instrumento. Para isso, você pode, é claro, usar os resultados da calibração.
2. Como verificação final, faça mais uma vez o método de calibração para verificar se o ajuste foi bem-sucedido.
3. Se o ajuste tiver sido bem-sucedido, você pode continuar com as medições da sua amostra.
4. Se o ajuste não tiver sido bem-sucedido, será necessário ajustar novamente o instrumento.
   

Para resumir o procedimento, um circuito completo consiste em calibrar, ajustar, calibrar para verificar o ajuste correto e medir sua amostra.

A situação ideal é quando o resultado obtido após um procedimento de ajuste não é mais influenciado por fatores experimentais como a taxa de aquecimento, o cadinho ou a vazão de gás.


Slide 13: Ajuste de atraso tau

Até agora, abrangemos muita teoria sobre estatísticas, calibração e ajuste. Nos próximos minutos, quero mostrar a diferença entre instrumentos que foram devidamente ajustados e instrumentos que não estão bem-ajustados, além do efeito que isso pode ter sobre os seus resultados.

O primeiro exemplo ilustra como a temperatura de estabelecimento da fusão do índio é aparentemente influenciada pela taxa de aquecimento na Imagem A. Parece que, com o aumento da taxa de aquecimento, a temperatura de estabelecimento se desloca para uma temperatura mais alta, que é fisicamente errado.

As temperaturas de estabelecimento falsamente registradas são corrigidas por um ajuste de atraso tau.

Assim, vemos curvas corrigidas na Imagem B, e as temperaturas de estabelecimento da fusão passam a concordar com o valor verdadeiro de 156,6 °C.

Slide 14: Ajuste de temperatura - Dinâmico
    
Nos próximos dois exemplos, falarei sobre ajuste de temperatura para medições dinâmicas e isotérmicas.

Primeiro, vamos discutir a medição dinâmica.

Na Imagem A, vemos que as temperaturas de estabelecimento da fusão e as temperaturas de pico para o índio e o estanho são significativamente deslocadas, dependendo da taxa de aquecimento.

Os valores medidos para essas substâncias divergem amplamente, em vários graus em cada caso!

Após o ajuste de temperatura, os valores concordam perfeitamente para cada substância.

Slide 15: Ajuste de temperatura - Isotérmico (1)

Não é necessário levar em consideração o ajuste da temperatura apenas para métodos de medição dinâmica; isso também é importante para métodos de medição isotérmica.

Métodos isotérmicos são usados para estudos de cinética, medições de OIT e medições de sorção.

Como podemos garantir que a leitura da temperatura seja correta em condições isotérmicas?

Para esse fim, usamos o índio e o estanho como nossas substâncias de referência. Cada substância é usada para uma temperatura específica, em vez de para uma faixa de temperatura, como é o caso nas medições de temperatura dinâmica.

Para ambas as substâncias, a temperatura de estabelecimento da fusão está incorreta na Imagem A. Para o índio, temos uma diferença de 0,3 °C e, para o estanho, ela chega a 2,0 °C.

Após o ajuste, as temperaturas de estabelecimento da fusão concordam com os valores verdadeiros. É possível ver a diferença na Imagem B.


Slide 16: Ajuste do sensor - Fluxo de calor (DSC)

Chegamos ao terceiro exemplo: calibração e ajuste do sensor. Todos os instrumentos têm um sensor, mas nem todos medem as mesmas propriedades. Os próximos slides mostram as diferentes possibilidades de calibração e ajuste para vários instrumentos com relação ao sensor.
No caso da DSC, as fontes mais importantes de não reprodutibilidade são a transferência de calor entre o sensor e o cadinho e entre o cadinho e a amostra.

Essas influências são eliminadas quando a DSC é devidamente ajustada com o uso de substâncias de referência certificadas, por exemplo, da LGC (Reino Unido), NIST (EUA) ou PTB (Alemanha).


Slide 17: Ajuste do sensor – Peso (TGA)

A análise termogravimétrica é uma técnica que mede a mudança no peso de uma amostra à medida que ela é aquecida, resfriada ou mantida a uma temperatura constante.

O cerne da TGA é a célula de balança ultrassensível da METTLER TOLEDO.

Um ajuste de peso correto é crucial para esse instrumento.

Você tem a opção de realizar uma calibração interna com dois anéis ou uma calibração externa com pesos certificados.

Slide 18: Ajuste do sensor - Deslocamento (TMA)

A análise termomecânica é usada para medir alterações dimensionais de uma amostra em função da temperatura. Uma das propriedades mais frequentemente estudadas é o coeficiente de expansão.

As amostras podem se contrair ou aumentar em comprimento quando aquecidas.

Portanto, para a TMA, a capacidade de medir corretamente o deslocamento é um parâmetro crucial que exige atenção regular.

É possível ajustar o comprimento usando diferentes blocos de medição certificados.


Slide 19: Calibração do sensor: força e deslocamento (DMA)

A análise mecânica dinâmica é usada para medir as propriedades mecânicas e viscoelásticas de materiais em função da temperatura, do tempo e da frequência quando eles são submetidos a uma tensão periódica.

O módulo desejado pode ser calculado a partir das amplitudes de força e deslocamento medidas, levando-se em consideração a geometria específica da amostra.

Sendo assim, o instrumento precisa ser calibrado em termos de comprimento e força para que o módulo correto possa ser determinado.

Isso exige blocos de medição certificados e uma mola.

Um fuso extremamente preciso para a posição z, capaz de definir incrementos de 1 μm (apresentador: diga “um micrômetro”), permite um ajuste de comprimento totalmente automático após o fuso ter sido ajustado com blocos de medição.

Além disso, uma mola certificada é usada para calibrar o sensor piezoelétrico em toda a faixa de força.


Slide 20: Calibração - Exatidão do módulo (DMA)

A exatidão do módulo pode ser provada pela medição de uma barra de silício cristalizado na presilha de dobra de três pontos de acordo com o método especificado. Obviamente, esse procedimento é válido apenas para o silício.

Os detalhes do método de medição e a faixa de valores esperada podem ser lidos no certificado inclusos com a amostra de referência especial.

Se o módulo ficar dentro da faixa especificada, isso quer dizer que você confirmou a exatidão do módulo.

Você pode encomendar esse conjunto à METTLER TOLEDO.

Slide 21: Um conceito exclusivo da METTLER TOLEDO: FlexCal^®

O instrumento deve ser capaz de fornecer valores que sejam independentes da taxa de aquecimento ou resfriamento, do tipo de cadinho ou da atmosfera gasosa dentro do forno.

Portanto, cada célula de medição usada deve também ter seu conjunto individual de parâmetros de calibração e não ser influenciada por outros instrumentos ou pela troca da unidade controladora.

Para realizar esse extraordinário objetivo, a METTLER TOLEDO implementou a opção FlexCal^® em seu Sistema STARe, que inclui os métodos e o banco de dados para armazenar e manejar os parâmetros de calibração necessários.

Cada instrumento conectado ao sistema tem sua própria ID relacionada aos parâmetros de calibração reais.

Cada conjunto de parâmetros específico a um instrumento descreve principalmente o relacionamento entre temperatura, taxa de aquecimento, cadinho, gases e tipo de sensor para a configuração padrão.

Com o modelo de calibração com suporte de banco de dados, o FlexCal^®, os resultados da análise térmica, como o estabelecimento da fusão ou o calor de fusão, não dependem mais da taxa de aquecimento, do tipo de cadinho e da atmosfera gasosa selecionados.

Para facilitar a utilização, um novo método de calibração total realiza uma calibração completa usando um ou mais padrões de referência.

O banco de dados é compatível com a documentação consistente com a GLP dos parâmetros de calibração reais.


Slide 22: resumo

Como vimos, instrumentos que não estejam devidamente ajustados fornecerão resultados imprecisos e inconsistentes.

Por isso, é importante realizar regularmente uma calibração e verificá-la em relação aos limites de tolerância definidos.

Isso é essencial para que todos os laboratórios ajudem a garantir a integridade de seus resultados.

Além disso, a METTLER TOLEDO tem engenheiros de serviço e vendas bem-treinados para auxiliar você na qualificação, calibração e ajuste do equipamento, no treinamento e assessoria de aplicações e também fornecer assistência em questões de serviço e manutenção.


Slide 23: Para obter mais informações sobre calibração e ajuste
Por fim, eu gostaria de chamar sua atenção para informações sobre calibração e ajuste que podem ser baixadas da Internet.

A METTLER TOLEDO publica artigos sobre análise térmica e aplicações de diferentes ramos duas vezes ao ano na UserCom, a famosa revista semestral para os clientes da METTLER TOLEDO.

Edições anteriores podem ser baixadas no formato PDF em www.mt.com na seção Usercoms.


Slide 24: Para mais informações sobre análise térmica
Além disso, você pode baixar informações sobre webinars, manuais de aplicação ou informações de natureza mais geral nos endereços da Internet mostrados neste slide.

Slide 25: Agradecimentos
Isso conclui minha apresentação sobre calibração e ajuste na análise térmica.

Agradeço pelo seu interesse e atenção.