Curso Online de Metrologia Basica

Metrologia

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INTRODUÇÃO

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Este trabalho nasceu, além da necessidade de se ter uma fonte de consulta, com finali- dade de se reunir, de uma forma bem simples, material que auxiliasse a todas aquelas pessoas envolvidos em atividades voltadas para a Metrologia Dimensional, pois entendemos que a tarefa de medir está presente nas mais variadas atividades, tanto na produção como na comercialização dos produtos
É de nosso interesse que todos, ligados à Metrologia Dimensional, tenham neste a opor- tunidade de obter informações a respeito da Metrologia em nível nacional e internacional, da ras- treabilidade de produtos e serviços, das hierarquias metrológicas, do vocabulário de termos me- trológicos, de tabelas e da utilização de instrumentos de medição de uma forma bastante simples, pois nossa intenção, assim como a daqueles que serviram de subsidio para elaboração deste tra- balho é mostrar a Metrologia Dimensional e seus recursos instrumentais, tais como eles são, mui- to simples.
Buscamos, com isso, adequar todos ao novo modelo de desenvolvimento em que se pri- vilegia a eficiência num mercado não mais protegido, o que os levará a adotarem medidas de a- juste a este ambiente mais aberto e competitivo
Acreditamos que, com a utilização destas informações, todos poderão obter grandes be- nefícios em suas atividades práticas, tanto em nível acadêmico como no profissional.

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O CARÁTER NACIONAL DA METROLOGIA

O Sistema Metrológico Brasileiro se encontra, atualmente, em uma fase de grandes mu- danças e expansão, motivado pela recente implantação de Um Novo Modelo de Desenvolvimento do País. Estas mudanças ocorrem, simultaneamente, às grandes mudanças que o Sistema Eco- nômico Mundial vem sofrendo com a Globalização da Economia e a formação de Blocos de Coo- peração Econômica que estão se estruturando em várias regiões do nosso planeta.
Essas mudanças criam enormes desafios que envolvem, por um lado, toda a sorte de demandas dos setores que necessitam serviços metrológicos e, por outro, a criação de novos instrumentos institucionais para adaptar o sistema existente às novas situações criadas pelas mu- danças internas e externas ao País. Não se pode esquecer, ainda, que a própria Tecnologia Me- trológica vem sofrendo grande evolução, necessária para atender novas demandas criadas pelos modernos processos de produção, tanto do ponto de vista das novas tecnologias utilizadas, quan- to das novas formas de gestão dos processos de produção.
As mudanças no modelo de desenvolvimento, através da nova Política Industrial e de Comércio Exterior, abrem a economia, introduzem no país os modernos conceitos de Qualidade e Produtividade e criam novas demandas de serviços metrológicos, em quantidade e qualidade mui- to superiores às exigidas pelo antigo modelo de economia fechada e de reserva de mercado.
As mudanças que vêm ocorrendo no Sistema Econômico Mundial não estão, ainda, con- solidadas e geram grandes indefinições sobre os detalhes dos cenários futuros. Esta indefinição e a forma de sua evolução, bem como os caminhos a serem tomados pelo Sistema Produtivo Na- cional para enfrentar a nova conjuntura, representa um grande desafio para os planejadores das ações necessárias para tornar o Sistema Metrológico Brasileiro adequado à nova realidade e ao acompanhamento de sua evolução.
O País já conta com um Sistema Metrológico efetivamente implantado, uma Legislação Metrológica baseada em conceitos modernos e, apesar de suas muitas deficiências, constitui uma base sólida para ser adaptado às novas necessidades. As deficiências estão, em grande parte, ligadas a problemas externos ao sistema metrológico em si, refletindo condições intrínsecas do País, que estão sendo atacadas no sentido de Modernizar o País como um todo. Esta moderniza- ção envolve melhorias: no nível educacional dos cidadãos, tanto como trabalhadores, quanto co- mo consumidores; na distribuição de renda da população; no sistema de saúde; no sistema judici- ário; nos serviços públicos e na operacionalidade dos poderes do governo.

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O CARÁTER INTERNACIONAL DA METROLOGIA

A Metrologia Moderna se caracteriza pela sua dimensão Internacional. Já antes da Con- venção do Metro, a necessidade de uma unificação dos sistemas de medida usados nos diferen- tes países havia sido identificada e o Sistema Métrico Decimal, introduzido inicialmente na França, no fim do século XVIII, começou a ser utilizado em diversos países, inclusive no Brasil, nos mea- dos do século seguinte.
A necessidade de dar uma personalidade mais Internacional ao Sistema levou ao estabe- lecimento da “Convention du Mètre”, em 1875, que resultou na criação do “Bureau International des Poids et Mesures” (BIPM) que, em conjunto com o “Comité International des Poids et Mesu- res” (CIPM), com seus “Comités Consultatifs” (CC) (atualmente em número de 9) e as “Conféran- ce Générales des Poids et Mesures” (CGPM), que geram e coordenam as atividades da Metrolo- gia a nível internacional. Este conjunto de organismos é responsável por Definir as Unidades de Base, manter o padrão internacional do quilograma e promover os mecanismos para a Rastreabi- lidade Internacional dos Padrões Nacionais das Unidades de Base do Sistema Internacional de Unidades (SI) mantidos pelos diferentes países signatários da Convenção do Metro (atualmente 48 países). Estes mecanismos são necessários para manter a compatibilidade entre as medidas das grandezas realizadas nos diferentes países que são rastreados aos respectivos Padrões Na- cionais.
O sistema CGPM/CIPM (apoiado nos trabalhos dos CCs, do BIPM e dos Institu- tos/Bureaus/Laboratórios Nacionais de Metrologia e de outros Centros de Pesquisa e Desenvol- vimento Metrológico) constitui a mais alta autoridade mundial em Metrologia e zela pelo funciona- mento harmonioso da Metrologia no mundo.
Assim, todos os países signatários da Convenção do metro podem rastrear seus padrões Nacionais aos Internacionais. Na prática, são rastreados aos padrões do BIPM os padrões de
massa (kg), de tensão elétrica (V), de resistência elétrica (), padrões das unidades de luz, de radiações ionizantes, freqüência de lasers usados como padrões de comprimento e, através dos sistemas de satélites GPS, os diversos laboratórios que mantêm a unidade de tempo podem ras- trear, através do BIPM, seus padrões de tempo e freqüência.
Em princípio, como nem todos os países são signatários da Convenção do Metro, pode parecer que o sistema não tem abrangência universal. Entretanto, como todos os países com um certo grau de industrialização são signatários, sua abrangência é, de fato e, para todos os efeitos práticos, universal.
Ser signatário da Convenção do Metro e rastrear os padrões nacionais aos internacionais através do BIPM não constitui, entretanto, nenhuma garantia quanto à confiabilidade do Laborató- rio Nacional que detém o padrão rastreado.
A confiabilidade de um Laboratório Metrológico só pode ser conquistada com a demons- tração de que este tem competência para realizar medidas precisas e confiáveis, através de inú- meros exercícios de comparações com medidas realizadas em outros laboratórios. Tal procedi- mento, envolvendo muitos laboratórios, cada grandeza e, repetido periodicamente, estabelece a base para a Credibilidade e Confiabilidade dos Laboratórios envolvidos. Este parece ser o único mecanismo capaz de garantir a Credibilidade e a Confiabilidade dos Laboratórios Nacionais dos diversos países que integram o Sistema Metrológico Internacional.

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CAMINHOS PARA A EMPRESA GARANTIR A RASTREABILIDADE DE PRODUTOS E SERVIÇOS A PADRÕES NACIONAIS E INTERNACIONAIS

As exigências que o mercado consumidor vem impondo aos seus fornecedores estão cri- ando nas empresas a necessidade de serem cada vez mais competitivas, a fim de poderem con- quistar e manter este mercado, tanto em nível nacional como internacional.
Esta conquista será alcançada à medida que as empresas produzirem com qualidade e produtividade, buscando, cada vez mais, a satisfação do cliente.
Para garantir a qualidade de seus produtos e serviços, as empresas deverão trabalhar dentro de padrões aceitos internacionalmente.
A ISO (International Organization for Standardization), uma organização internacional que congrega vários países, com o objetivo de criar e normalizar padrões internacionais, desenvolveu a série de normas ISO 9000, que é um conjunto de normas relacionadas com gestão da garantia da qualidade. O objetivo destas normas é assegurar a qualidade dos serviços e produtos desen- volvidos pelas empresas.
Entretanto, todo e qualquer sistema da qualidade só terá sucesso se estiver apoiado na metrologia, que é a base física da qualidade. Por isso, as normas ISO 9000 exigem que as em- presas garantam a confirmação metrológica de seus equipamentos de medição, inspeção e en- saios.
Em uma linha de produção é comum que diversos operadores realizem várias medições de uma mesma grandeza. Como operadores e instrumentos são diferentes, os resultados também serão diferentes e podemos afirmar que o número de resultados diferentes aumenta à medida que aumenta o número de medições.
Isto nos leva a admitir que o resultado de todo o processo produtivo é uma variabilidade. Para reduzir e manter sob controle esta variabilidade, são necessários controles que, para serem eficientes, requerem normas e procedimentos adequados, garantindo a confiabilidade do proces- so, ou seja, a certeza nos resultados de uma medição ou ensaio.
A base de todas as ações metrológicas é a calibração dos instrumentos de medição, ins- peção e ensaios que, segundo a norma ISO 10012-1, é o conjunto de operações que estabele- cem, sob condições específicas, a relação entre os valores indicados por um instrumento ou por um material de referência e os valores correspondentes de uma quantidade concebida como pa- drão de referência.
A falta de compatibilidade entre o resultado de várias fontes implicará inúmeros proble- mas para um processo produtivo. Uma harmonização interna reduzirá parte dos problemas, pois haverá uma base referencial.
Dada a complexidade da harmonização, devido aos diversos campos da metrologia en- volvidos e a compatibilização entre clientes e fornecedores, surge a necessidade de uma hierar- quia com um laboratório mestre, primário, que indicará (através do credenciamento) os laborató- rios secundários compatibilizados com ele.
Estes laboratórios, por sua vez, efetuarão serviços de compatibilização para terceiros, ga- rantindo a referência a valores do laboratório primário. Através dessa hierarquia, obtemos e ga- rantimos a rastreabilidade metrológica.

EXEMPLO: O laboratório secundário calibra seus padrões no laboratório primário (INMETRO). A empresa calibra seus padrões no laboratório secundário. Com seus padrões calibra- dos, a empresa calibrará seus instrumentos de trabalho, formando, desta maneira, a hierarquia metrológica e a garantia da rastreabilidade, conforme esquema a seguir:

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CADEIA METROLÓGICA

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(BIPM)
(Padrão internacional)

PTB

LABORATÓRIO NACIONAL DE METROLOGIA
(INMETRO)
(Padrão de referência primário)

NIST

LABORATÓRIO DA
REDE BRASILEIRA DE CALIBRAÇÃO
(Padrão de referência secundário)

LABORATÓRIO DA EMPRESA
(Padrão de referência terciário)

OUTROS

PADRÃO DE TRABALHO

INSTRUMENTOS

Para que seja possível operacionalizar as ações referentes à confirmação metrológica e, conseqüentemente, atender às exigências das normas ISO 9000, nos itens relativos a controle de equipamentos de medição, inspeção e ensaios, é necessária uma infra-estrutura metrológica ade- quada à universalidade das medições.
Uma infra-estrutura metrológica pressupõe, em nível nacional, uma padronização e dis- seminação de medidas, o que é obtido através de um laboratório metrológico central (Laboratório Primário), detentor dos padrões metrológicos nacionais, que tem a função de coordenar um con- junto de laboratórios de calibração secundários, calibrando os padrões destes laboratórios, for- mando, assim, uma rede de laboratórios.
No Brasil encontramos esta estrutura através do, Instituto Nacional de Metrologia Norma- lização e Qualidade Industrial (INMETRO) (laboratório primário) que é uma autarquia federal e o órgão executivo do Sistema Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (SIN- METRO). As diretrizes de atuação do INMETRO são estabelecidas pelo Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (CONMETRO).
O credenciamento de laboratórios pelo INMETRO consiste no reconhecimento formal da sua competência, avaliada segundo critérios internacionalmente reconhecidos e utilizados.
O objetivo principal do credenciamento é garantir a confiabilidade dos serviços prestados pelos laboratórios que compõem a Rede Brasileira de Calibração (RBC) e a Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaios (RLE).

PTB - Physikalisch Technische Bundesanstalt (Alemanha) NIST - National Institute of Standards and Tecnology (EUA) NAMAS - National Measurement Acreditation Service (Inglaterra)

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ORIGEM E DEFINIÇÃO DO METRO
Devido à diversificação de padrões existentes ao redor do mundo, o que dificultava em muito as transações comerciais entre os países, sentiu-se a necessidade da unificação dos siste- mas de medidas então utilizados.
Assim, em fins do século XVIII, mais precisamente no ano de 1789, foi criada, na França, uma comissão de homens de ciência, para a determinação e construção de padrões, de tal modo que fossem universais. Esses padrões deveriam reproduzir fenômenos naturais, para que não dependessem de futuras mudanças.
Após estudos e pesquisas, a comissão, que incluía nomes famosos como Borda, La- grange e Laplace, concluiu que a unidade de comprimento deveria pertencer ao sistema decimal, de maior facilidade de utilização e presa a um dos seguintes fenômenos naturais:
a - O comprimento de um pêndulo de período (duas oscilações) igual a 1 segundo, latitu-
de de 45;
b - O comprimento de ¼ de meridiano terrestre, medido do Equador a um dos pólos. Como na primeira proposição, a medida iria depender de grandezas alheias ao compri-
mento, como o tempo e o peso, foi aceita a proposição do meridiano, pois, além de não apresen- tar os problemas da anterior, já contava com uma boa comparação. O meridiano que passa por Paris já havia sido medido precisamente (medido através da Toesa, unidade de comprimento da época) e podia ser comparado com a nova determinação.
Então, o metro foi assim definido:

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“METRO É A DÉCIMA MILIONÉSIMA PARTE DE UM QUARTO DO MERIDIANO TERRESTRE“

medido entre Dunkerke na França e Montguich na Espanha. Esse metro, transformado em uma barra de platina, passou a ser determinado como METRO DOS ARQUIVOS.
Com o desenvolvimento da ciência, verificou-se que uma medida mais precisa do meridi- ano fatalmente daria um metro um pouco diferente. Assim, a primeira definição foi substituída por uma segunda :

“METRO É A DISTÂNCIA ENTRE AS DUAS FACES TERMINAIS DA BARRA DE PLATINA CONSERVADA NOS ARQUIVOS DA FRANÇA, DESDE QUE ESSA BARRA ESTEJA A 00 C E QUE REPOUSE SOBRE SEUS PONTOS DE MÍNIMA FLEXÃO“.

Escolheu-se a temperatura de zero grau Celsius por ser, na época, a mais facilmente ob- tida com o gelo fundente.
Com o passar do tempo, com as exigências tecnológicas aumentadas, decorrentes do avanço científico, notou-se que o METRO DOS ARQUIVOS não mais satisfazia as necessidades, pois apresentava alguns inconvenientes como: o paralelismo das faces não era tão perfeito, o material era relativamente mole e a barra não era suficientemente rígida.
Para aperfeiçoar o sistema, fez-se um outro padrão, que recebeu seção transversal em X, para ter maior estabilidade, uma adição de 10% de irídio, para tornar-se mais durável e ainda dois traços em seu plano neutro, de forma a tornar a medida mais perfeita.
Assim, em 1889, surgiu a terceira definição :

“METRO É A DISTÂNCIA, À TEMPERATURA DE ZERO GRAU CELSIUS, DOS EIXOS DE DOIS TRAÇOS MÉDIOS GRAVADOS SOBRE A BARRA DE PLATINA IRIDIADA,
ESTANDO SUBMETIDA À PRESSÃO ATMOSFÉRICA NORMAL E SUPORTADA POR DOIS ROLOS COM UM DIÂMETRO MÍNIMO DE 1 cm, SITUADOS SIMETRICAMENTE NUM MESMO
PLANO HORIZONTAL E À DISTÂNCIA DE 571 mm UM DO OUTRO”

Atualmente, a temperatura de referência para calibração é de 20 C. É nessa temperatura que o metro, utilizado em laboratório de metrologia, tem o mesmo comprimento do padrão que se encontra na França, na temperatura de zero grau Celsius.

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Em outubro de 1960, na XI Conferência Geral de Pesos e Medidas, foi adotado e reco- nhecido o Sistema Internacional de Unidades (SI) e o metro, mais uma vez, acompanhando os avanços da ciência e da tecnologia, foi redefinido :

“METRO É 1.650.763,73 VEZES O COMPRIMENTO DE ONDA DE UMA LUZ EMITIDA PELA TRANSIÇÃO ENTRE OS NÍVEIS DE ENERGIA
2p10 E 5d5 DO ÁTOMO DE CRIPTÔNIO 86 (Kr 86) NO VÁCUO”.

Desta forma, conseguia-se uma reprodução do metro com um erro de 0,010 micrometro
, (10 nm) ou ainda 10 mm a cada 1000 km.
Atualmente, o padrão do metro em vigor e que é o recomendado pelo INMETRO, é base- ado na velocidade da luz, de acordo com a decisão da XVII Conferência Geral de Pesos e Medi- das. Assim o INMETRO, em sua resolução 3/84, definiu o metro :

“METRO É A DISTÂNCIA PERCORRIDA PELA LUZ NO VÁCUO, NO INTERVALO DE TEMPO DE 1/299.792.458 DO SEGUNDO“.

Esta definição é universal e se aplica a todos os tipos de medições, desde o lar até a as- tronomia.
O metro, em si, não foi alterado, o que ocorreu foi mais uma impressionante melhoria na
precisão de sua definição. O erro atual de reprodução do metro por este meio corresponde a
0,0013 micrometro, (1,3 nm) ou ainda, para melhor se entender, 1,3 mm para cada 1000 km.

PROTÓTIPO DO METRO
A CÓPIA DO BRASIL

Em 1876, deu-se início à fabricação de um protótipo do metro e sua reprodução para as nações que participaram do tratado. Foram feitas 32 barras com 90% de Platina e 10% de Irídio e, em 1889, determinou-se que a de no 6 seria o protótipo internacional, também chamada de “ME- TRO DOS ARQUIVOS”. A barra de no 26 correspondeu ao Brasil. Esta encontra-se no I.P.T., (Ins- tituto de Pesquisas Tecnológicas) na cidade Universitária, em São Paulo.

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VOCABULÁRIO INTERNACIONAL DE TERMOS FUNDAMENTAIS E GE- RAIS DE METROLOGIA
O estabelecimento de uma terminologia básica contribuirá grandemente para uma maior compreensão das atividades relativas à metrologia e seus recursos instrumentais. A seguir, serão apresentados alguns termos:

METROLOGIA: Ciência da medição.

METROLOGIA LEGAL: Parte da metrologia que se refere às exigências legais, técnicas e administrativas, relativas às unidades de medida, aos métodos de medição, aos instrumentos de medir e às medidas materializadas.

METROLOGIA CIENTÍFICA: Parte da metrologia relacionada às unidades de medida e seus padrões, estabelecimento, reprodução, conservação e transmissão. Seu objetivo é a padro- nização das unidades no mais alto nível, pesquisando processos para a medição de grandezas e encarregando-se, também, de sua normatização, sistematização e aprimoramento.

CALIBRAÇÃO OU AFERIÇÃO: Conjunto de operações que estabelece, sob condições especificadas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição, ou sistema de medição, ou valores representados por uma medida materializada, ou um material de referência e os valores correspondentes das grandezas estabelecidas por padrões.

CONTROLE METROLÓGICO: Operações que visam assegurar a garantia pública nos principais campos da metrologia legal.

MEDIR: É o procedimento experimental pelo qual o valor momentâneo de uma grandeza física (grandeza a medir) é determinado como um múltiplo e/ou fração de uma unidade estabele- cida por um padrão.

MEDIÇÃO: Conjunto de operações que tem por objetivo determinar um valor de uma grandeza.

GRANDEZA: Atributo de um fenômeno, corpo ou substância que pode ser qualitativa- mente distinguido e quantitativamente determinado.

Observações:
- O termo “grandeza” pode referir-se a uma grandeza em um sentido geral (comprimen- to, tempo, massa, temperatura, resistência elétrica), ou a uma grandeza específica (comprimento de uma barra, resistência elétrica de um fio, concentração de etanol em uma amostra de vinho);
- Grandezas que podem ser classificadas, uma em relação à outra, em ordem crescen- te ou decrescente, são denominadas grandezas de mesma natureza;
- Grandezas de mesma natureza podem ser agrupadas em conjuntos de categorias de grandezas, por exemplo:
a - Trabalho, calor, energia.
b - Espessura, circunferência, comprimento de onda.
- Os símbolos das grandezas são dados na norma ISO 31.

AJUSTE (Ajustagem de um instrumento de medição): operação destinada a fazer com que um instrumento de medição tenha desempenho compatível com seu uso.

REGULAGEM DE UM INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO: Ajuste, empregando somente os recursos disponíveis no instrumento para o usuário.

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EXATIDÃO DE MEDIÇÃO: (accuracy of measurement)
Grau de concordância entre o resultado de uma medição e um valor verdadeiro do
mensurando.

Observações:
- Exatidão é um conceito qualitativo;
- O termo precisão não deve ser utilizado como exatidão.

INCERTEZA DE MEDIÇÃO: Parâmetro, associado ao resultado de uma medição, que caracteriza a dispersão dos valores que podem ser fundamentadamente atribuídos a um mensu- rando.

ERRO DE MEDIÇÃO: Resultado de uma medição menos o valor verdadeiro do mensu- rando. Uma vez que o valor verdadeiro não pode ser determinado, utiliza-se na prática, um valor verdadeiro convencional.

ERRO ALEATÓRIO: Resultado de uma medição menos a média que resultaria de um in- finito número de medições do mesmo mensurando, efetuadas sob condições de repetitividade

Observações:
- O erro aleatório é igual ao erro menos o erro sistemático;
- Em razão de que, apenas um finito número de medições pode ser feito, é possível a- penas determinar uma estimativa do erro aleatório.

ERRO SISTEMÁTICO: Média que resultaria de um infinito número de medições do mes- mo mensurando, efetuadas sob condições de repetitividade, menos o valor verdadeiro do mensu- rando.

Observações:
- O erro sistemático é igual ao erro menos o erro aleatório;
- Analogamente ao valor verdadeiro o erro sistemático e suas causas não podem ser completamente conhecidos;
3) Para um instrumento de medição ver “Tendência de um instrumento de medição”.

RESOLUÇÃO: Expressão quantitativa da aptidão de um “instrumento de medir”, de dis- tinguir valores muito próximos da grandeza a medir sem necessidade de interpolação.

HISTERESE: É a diferença entre a leitura/medida para um dado valor da grandeza a me- dir, quando essa grandeza foi atingida por valores crescentes, e a leitura/medida, quando atingida por valores decrescentes da grandeza a medir. O valor poderá ser diferente, conforme o ciclo do carregamento, típico de instrumentos mecânicos, tendo como fonte de erro, principalmente folgas e deformações, associados ao atrito.

PADRÃO: Medida materializada, instrumento de medição, material de referência ou sis- tema de medição destinado a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um ou mais valores de uma grandeza, para servir como referência.

PADRÃO PRIMÁRIO: Padrão que é designado ou amplamente reconhecido como tendo as mais altas qualidades metrológicas e cujo valor é aceito sem referência a outros padrões de mesma grandeza.

PADRÃO SECUNDÁRIO: Padrão cujo valor é estabelecido por comparação a um padrão primário da mesma grandeza.

PADRÃO INTERNACIONAL: Padrão reconhecido por um acordo internacional para ser- vir, internacionalmente, como base para estabelecer valores a outros padrões da grandeza a que se refere.
PADRÃO NACIONAL: Padrão reconhecido por uma decisão nacional para servir, em um país, como base para estabelecer valores a outros padrões da grandeza a que se refere.

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