miniatura|A balança de Kibble NIST-4, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, mede o peso por meio da corrente elétrica e da tensão elétrica. Com esse instrumento, a medição da massa passa a depender de constantes físicas da natureza, dispensando um padrão material de massa. Metrologia é a ciência da medição. Ela estabelece um entendimento comum das unidades de medida, necessário à articulação das atividades humanas. A metrologia moderna nasceu do esforço político da Revolução Francesa para uniformizar as unidades usadas na França, quando se propôs um padrão de comprimento baseado na natureza. Essa proposta levou à criação do sistema métrico decimal, em 1795, com padrões para outros tipos de medição. Outros países adotaram o sistema métrico entre 1795 e 1875. Para assegurar a uniformidade entre eles, a Convenção do Metro criou o Escritório Internacional de Pesos e Medidas, ou BIPM, da sigla francesa. O sistema métrico deu origem ao Sistema Internacional de Unidades, ou SI, por uma resolução da 11.ª Conferência Geral de Pesos e Medidas, em 1960.
A metrologia compreende três atividades básicas que se complementam. Definição das unidades de medida. Realização dessas unidades na prática. Rastreabilidade, que permite relacionar as medições feitas na prática aos padrões de referência.
Essas atividades são empregadas em diferentes graus nos três campos básicos da metrologia. Metrologia científica ou fundamental, que estabelece as unidades de medida. Metrologia aplicada, técnica ou industrial, que aplica a medição à fabricação e a outros processos da sociedade. Metrologia legal, que abrange a regulamentação e as exigências legais relativas aos instrumentos e métodos de medição.
Em cada país, o sistema nacional de medição é uma rede de laboratórios, serviços de calibração e organismos de acreditação que implantam e mantêm sua infraestrutura metrológica. Esse sistema determina como as medições são feitas no país e reconhecidas pela comunidade internacional, com efeitos na economia, na energia, no meio ambiente, na saúde, na fabricação, na indústria e na confiança do consumidor. Os efeitos da metrologia no comércio e na economia estão entre os mais fáceis de observar. Para que as transações comerciais sejam justas, é preciso haver um sistema de medição aceito pelas partes.
História
A capacidade de medir, por si só, não basta. É preciso padronizar as medições para que tenham sentido. O primeiro padrão permanente de que se tem notícia data de 2900 a.C., quando o côvado real egípcio foi talhado em granito preto. Determinou-se que ele teria o comprimento do antebraço do faraó acrescido da largura de sua mão, e os construtores receberam réplicas desse padrão. O uso de um comprimento padronizado na construção das pirâmides permitiu que os lados de suas bases diferissem em, no máximo, 0,05%.
Na China, os pesos e as medidas tinham um sentido parcialmente religioso. Eram usados nos ofícios dos artesãos e na produção de utensílios rituais. O Clássico dos Ritos menciona seu uso, assim como o da balança romana e de outras ferramentas.
Outras civilizações criaram padrões de medição de uso comum, e a arquitetura romana e a grega empregavam sistemas de medição distintos. Com a queda dos impérios e o início da Alta Idade Média, perdeu-se boa parte do conhecimento sobre medição e padronização. Os sistemas locais eram comuns, mas muitos eram incompatíveis entre si, o que dificultava as comparações. Em 1196, a Inglaterra instituiu a Assize of Measures para estabelecer padrões de comprimento. A Magna Carta de 1215 incluiu uma seção sobre a medição de vinho e cerveja.
A metrologia moderna começou com a Revolução Francesa. O esforço político para uniformizar as unidades em toda a França levou à proposta de um padrão de comprimento baseado na natureza. Em março de 1791, definiu-se o metro. Essa definição levou à criação do sistema métrico decimal em 1795, com padrões para outros tipos de medição. Outros países adotaram o sistema entre 1795 e 1875. Para assegurar a uniformidade internacional, a Convenção do Metro criou o Escritório Internacional de Pesos e Medidas, em francês Bureau international des poids et mesures, ou BIPM. Sua missão inicial era criar padrões internacionais para as unidades de medida e relacioná-los aos padrões nacionais, assegurando a concordância entre eles. Suas atribuições passaram a abranger unidades elétricas e fotométricas, além de padrões de medição de radiação ionizante. O sistema métrico foi modernizado em 1960 com a criação do Sistema Internacional de Unidades, por uma resolução da 11.ª Conferência Geral de Pesos e Medidas, em francês Conférence générale des poids et mesures, ou CGPM.
Áreas A metrologia é a ciência da medição e abrange determinações experimentais e teóricas, em qualquer nível de incerteza e em qualquer campo da ciência e da tecnologia. Ela estabelece um entendimento comum das unidades, necessário às atividades humanas. Seu campo é extenso, mas pode ser organizado em três atividades básicas, a definição de unidades de medida aceitas internacionalmente, sua realização na prática e o emprego de cadeias de rastreabilidade que relacionam as medições aos padrões de referência. Esses conceitos se aplicam em diferentes graus à metrologia científica, à metrologia aplicada, técnica ou industrial e à metrologia legal.
Metrologia científica A metrologia científica estabelece unidades de medida, desenvolve novos métodos de medição, realiza padrões de medição e transfere a rastreabilidade desses padrões aos usuários. Ela ocupa o nível mais alto da hierarquia metrológica e busca o maior grau de exatidão. O BIPM mantém uma base de dados das capacidades de calibração e medição de institutos de todo o mundo. Esses institutos têm suas atividades avaliadas por pares e fornecem as referências fundamentais para a rastreabilidade metrológica. O BIPM divide a medição em nove áreas metrológicas, acústica, eletricidade e magnetismo, comprimento, massa e grandezas relacionadas, fotometria e radiometria, radiação ionizante, tempo e frequência, termometria e química.
Desde maio de 2019, as unidades de base não são definidas por objetos materiais. A mudança permitiu derivar todo o sistema de constantes físicas. Para isso, foi necessário abandonar a definição baseada no protótipo do quilograma, o último artefato do qual dependiam as definições das unidades. A redefinição exigiu medições precisas das constantes físicas, feitas no campo da metrologia científica, para que as definições das unidades de base fossem exatas. Para redefinir o quilograma sem um artefato, era necessário conhecer o valor da constante de Planck com uma incerteza de vinte partes por bilhão. O desenvolvimento da balança de Kibble e do projeto Avogadro permitiu obter um valor da constante de Planck com incerteza suficientemente pequena para a redefinição do quilograma.
Metrologia aplicada, técnica ou industrial A metrologia aplicada, técnica ou industrial emprega a medição na fabricação e em outros processos, bem como em seu uso pela sociedade. Ela assegura a adequação dos instrumentos de medição, sua calibração e o controle da qualidade. A qualidade das medições interfere no valor e na qualidade do produto final, e seu efeito sobre os custos de produção é de 10% a 15%. A ênfase dessa área está nas próprias medições, mas a rastreabilidade da calibração dos instrumentos é necessária para assegurar a confiança nos resultados. A competência metrológica da indústria pode ser reconhecida por acordos de reconhecimento mútuo, acreditação ou avaliação por pares. A metrologia industrial participa do desenvolvimento econômico e industrial de um país, e o estado de seu programa de metrologia industrial pode dar uma medida de sua situação econômica.
Metrologia legal A metrologia legal abrange atividades realizadas por organismos competentes em cumprimento de exigências legais relativas à medição, às unidades de medida, aos instrumentos e aos métodos de medição. Essas exigências podem decorrer da necessidade de proteger a saúde, a segurança pública e o meio ambiente, viabilizar a tributação, defender os consumidores e assegurar transações comerciais justas. A Organização Internacional de Metrologia Legal, ou OIML, foi criada para harmonizar os regulamentos entre os países e evitar que as exigências legais dificultem o comércio. Essa harmonização torna a certificação de instrumentos de medição de um país compatível com o processo de certificação de outro, permitindo a comercialização dos instrumentos e dos produtos que dependem deles. A WELMEC foi criada em 1990 para promover a cooperação em metrologia legal na União Europeia e entre os países da Associação Europeia de Comércio Livre, ou EFTA. Nos Estados Unidos, a metrologia legal está sob a responsabilidade do Escritório de Pesos e Medidas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, ou NIST, e sua fiscalização cabe aos estados.
Conceitos Definição das unidades O Sistema Internacional de Unidades define unidades de base para sete grandezas, comprimento, massa, tempo, corrente elétrica, temperatura termodinâmica, quantidade de substância e intensidade luminosa. Por convenção, essas unidades são independentes entre si e podem ser obtidas diretamente das constantes que as definem. Todas as demais unidades do SI são produtos de potências das sete unidades de base.
+ Unidades de base do SI e seus padrões Grandeza de base Nome Símbolo Definição Tempo Segundo s Duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio-133. Comprimento Metro m Comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1/299.792.458 de segundo. Massa Quilograma kg Definido, desde 2019, fixando-se o valor numérico da constante de Planck, h, em 6,62607015 × 10−34 quando expresso em J s, unidade igual a kg m2 s−1. Corrente elétrica Ampere A Definido, desde 2019, fixando-se o valor numérico da carga elementar, e, em 1,602176634 × 10−19 quando expresso em C, unidade igual a A s. Temperatura termodinâmica Kelvin K Definido, desde 2019, fixando-se o valor numérico da constante de Boltzmann, k, em 1,380649 × 10−23 quando expresso em J K−1, unidade igual a kg m2 s−2 K−1. Quantidade de substância Mol mol Contém, desde 2019, exatamente 6,02214076 × 1023 entidades elementares. Esse número é o valor numérico fixado para a constante de Avogadro, NA, quando expressa em mol−1. Intensidade luminosa Candela cd Intensidade luminosa, em uma dada direção, de uma fonte que emite radiação monocromática de frequência 540 × 1012 Hz e cuja intensidade radiante nessa direção é de 1/683 de watt por esferorradiano.
As unidades de base são a referência de todas as medições feitas em unidades do SI. Uma alteração nessa referência tornaria incorretas as medições anteriores. Antes de 2019, se um fragmento se soltasse do protótipo internacional do quilograma, o objeto restante ainda definiria o quilograma, e todas as massas anteriormente medidas como um quilograma passariam a ser maiores que ele. A necessidade de unidades reprodutíveis levou o BIPM a concluir a definição de todas as unidades de base do SI a partir de constantes físicas.