Corso di Fondamenti della Misurazione e Metrologia · ed uso degli strumenti di misura •...

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Fondamenti della Misurazione e Metrologia1

Centro Interdipartimentale “Magna Grecia” - Taranto

Corso di

Fondamenti della Misurazione e Metrologia

FM#01 – Generalità su metodi e strumenti di misura – Unità di misura e Riferibilità - Certificazione


Obiettivi del Corso

Descrizione delle Unità di misura e dei relativi Sistemi

Analisi, teoria e valutazione degli errori di misura

Descrizione delle caratteristiche di funzionamento degli strumenti di misura, nonché illustrazione dei relativi criteri di scelta

Cenni sulla caratterizzazione degli strumenti

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Organizzazione del Corso

Parte Teorica• Teoria della misurazione, degli

errori e dispositivi di misura

Parte Pratica

• Esercizi numerici e sull’applicazione di metodi ed uso degli strumenti di misura

• Esercitazioni di Laboratorio


Testi ed Esami

Testi

• M.SAVINO, “Fondamenti di scienza delle misure”• J.R.TAYLOR, “Introduzione all’analisi degli errori”•G.ANDRIA, “Teoria e Metodi per i Fondamenti delle Misure”

• Appunti di lezione

• Dispense e lucidi di lezione

Esame

• Prova scritta su teoria ed esercizi numerici(a seguito di frequenza al 100% del Laboratorio)

• Verifica di Laboratorio

* Eventuale discussione orale dello scritto, oltre che di altri argomenti teorici

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Informazioni

Spiegazioni• orario di ricevimento:

lunedì e mercoledì 13,30-14,30

e-mail: [email protected]

Avvisi • bacheca Laboratorio Misure• http://www.fataing.poliba.it/• Mailing list

Materiale didattico • http://www.fataing.poliba.it

• mailing list


Concetto di MISURA

“MISURAZIONE”

Processo che porta alla quantificazione di una quantità fisica, attraverso un numero

“MISURA”Numero, o insieme di numeri (tabella), o grafico, che esprimono il risultato della misurazione

“MISURARE” permette di conoscere, descrivere, controllare qualsiasi sistema fisico nel miglior modo possibile.

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Fondamenti della Misurazione e Metrologia

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ESEMPIO DI ISCRIZIONE ALLA MAILING LIST

Nome studente: Giovanni Bianchi

Indirizzo e-mail: [email protected]

Corso: Fondamenti della misurazione e metrologia

Passo 2: Comporre la e-mail come riportato in figura: (N:B. non usare caratteri speciali: grassetto , corsivo ecc.)

Passo 1: Selezionare la voce "Testo normale" dal menù "Formato" di Outlook

SUBSCRIBE FM-MECCTA1516 [email protected] {Giovanni Bianchi}

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Esecuzione di una misurazione

• Conoscenza dell’ unità di misura

• Conoscenza della metodologia seguita

• Conoscenza delle proprietà della variabile da misurare

• Adeguata esperienza dell’operatore

• Determinazione dell’incertezza di misura e delle cifre significative con cui si esprime il risultato (misura)

L’esecuzione corretta di una misurazione richiede:


Schema logico di una misurazione

Una misurazione comprende più stadi:

S/T Z S L

C

Sensore/Trasduttore

Blocco dicondizio-namento

Visualiz-zatore

Campione

Strumento

(misura)

wxGrandezza

fisica

y

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Misure Analogiche e Misure Digitali

Misura Analogicauna misura è analogica se è il risultato di una elaborazione

analogica eseguita direttamente sul segnale di ingresso

Misura Digitaleuna misura è digitale se è il risultato di una elaborazione

numerica eseguita su una versione digitalizzata del segnale di ingresso

t

)(tx

)(txc


Classificazione degli Strumenti di Misura

StrumentazioneElettrica

• elevata affidabilità

• normativa ben collaudata

• tecnologia di costruzione raffinata

StrumentazioneElettronica Analogica

• strumentazione “attiva”

• miniaturizzazione

• precisione in una specifica durata temporale

• problema dell’affidabilità

Foto 1

Foto 2

Foto 3

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• versatilità

• potenza

• velocità di elaborazione e trasmissione

• costi ridotti

• immunità al rumore

StrumentazioneElettronica Digitale

a logicaprogrammata

• nuova definizione di strumento di misura

• elaborazione funzionale

• integrazione

a logicacablata

• non programmabile

• algebra di BooleFoto 1


nuovi sviluppi• migliorare le prestazioni dell’hardware

• nuovi metodi numerici per risultati più accurati

• semplicità di programmazione

• algoritmo in forma grafica

• traduzione assolta dall’elaboratore

• realizzazione in tempi brevi

• versatilità ed economicità

StrumentazioneVirtuale

Strumentazione Virtuale

Esempio

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Grandezze fisiche e loro misura

scelta delle grandezze fisiche fondamentali

ossia l’individuazione di un numero ristretto di grandezze da cui ricavare le altre (dette derivate)

adozione del sistema di unità di misura

ossia di un opportuno sistema di unità di misura per esprimere le varie grandezze

Istituzione e realizzazione di campioni unità fond.

ossia di un riferimento accurato, stabile e accessibile di ciascuna delle unità di misura fondamentali

Dato l’elevato numero di grandezze fisiche individuabili nei fenomeni naturali e la necessità di condividere le misure di queste ultime per i motivi più vari (da quelli commerciali a quelli scientifici), si impongono:


Grandezze Fondamentali e Derivate

Queste grandezze fondamentali:

• sono in numero dipendente dal particolare sistema di unità dimisura adottato; per il S.I. sono sette (lunghezza, tempo, massa,temperatura, intensità di corrente elettrica, intensità luminosa,quantità di sostanza)

• sono tali che da esse si possono ricavare (attraverso leggi fisichenote) tutte le altre grandezze di interesse, dette derivate

• si dividono in grandezze indipendenti (ad esempio tempo,massa, temperatura per il S.I.) – in quanto non richiedono ladefinizione preventiva di alcuna unità – e grandezze dipendenti

Tutte le grandezze necessarie alla descrizione di ogni fenomeno fisico esistente in natura (più di un centinaio) possono essere

espresse come combinazione di poche grandezze fondamentali

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Unità di Misura

Per poter esprimere quantitativamente i risultati di un fenomeno fisico è necessario adottare opportune unità di misura per le grandezze fondamentali e derivate

Misurare una grandezza significa semplicemente confrontarla con l’unità di misura (ossia rapportarla ad essa) al fine di determinare il numero n di unità che essa contiene.

Se indichiamo con G il valore della grandezza e con UG la corrispondente unità di misura, si ha quindi:

G n UG

grandezza misura unità di misura


Sistemi di Unità di Misura

La scelta delle unità di misura è completamente arbitraria ma determina il sistema di unità di misura che si sta adottando

Essa deve essere tale da rivelarsi:

• conveniente (possibilità di evitare nei calcoli multipli esottomultipli)

• pratica (possibilità di disporre del campione in modosemplice)

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Un sistema di unità di misura si dice:

completo se il numero delle grandezze fondamentali èsufficiente a rappresentare quantitativamente tutti i fenomenifisici di interesse

assoluto se le unità adottate sono caratterizzate da invariabilitàspaziale e temporale

razionalizzato quando il numero irrazionale appare solo informule relative a configurazioni circolari, sferiche o cilindriche


Calcolo Dimensionale e Principio di Omogeneità

Il calcolo dimensionale consente sia una rapida analisi della natura di una grandezza sia una verifica qualitativa della correttezza di una relazione

lunghezza

tempo

massa

temperatura

[L]

[T]

[M]

[]

Principio di omogeneità

Date due grandezze esprimibiliin funzione delle grandezzefondamentali tramite espressionidifferenti, esse devono esseredimensionalmente identiche secompaiono in membri opposti diuna stessa equazione

Esempio di Grandezze (S.I.)

Equazione dimensionale

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Qualche cenno storico

Contare, confrontare classificare e quindi misurare sono tra le prime

fondamentali esigenze umane anche perché molto spesso sono la base

inconscia di una scelta.

La necessità di misurare, confrontare gli oggetti dell’esperienza, è attività

che si perde negli albori della preistoria del genere umano. Ogni civiltà ha,

regole di misurazione valide per “tutti” generando quel particolare settore

della scienza che prende il nome di metrologia


Ogni volta che popolazioni eterogenee venivano unificate, si divulgavano

presso ogni popolo conquistato i campioni del vincitore. I campioni delle

principali grandezze (lunghezza, massa e tempo) erano custodite con

cura religiosa in templi o luoghi sacri.

Lunghezza

Le prime misure di lunghezza basate su parti del corpo umano: cupito,

pollice, piede (ancora in uso nei paesi anglosassoni)

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Nel 1795 in Francia nasce il SISTEMA METRICO

DECIMALE che definisce il metro come la decimilionesima

parte di ¼ di meridiano terrestre (6 anni per calcolarlo).

Tempo

In antichità il tempo era riferito agli studi astronomici

(alternarsi giorno notte, periodi di plenilunio).

Per piccoli intervalli di tempo non misurabili con riferimento

a fenomeni si utilizzavo oggetti in cui scorreva del materiale

(es. clessidra).

Il tempo ha due accezioni:

data (quando si verifica un

evento) e durata.

Sono nati quindi i calendari e

gli orologi.


I Sistemi di Unità di Misura Anglosassoni

I Sistemi britannici rivestono notevole importanza nel campo industriale e commerciale e sono in numero cospicuo. Il più

utilizzato è probabilmente il sistema fps

piede (ft - foot)

libbra (lb - pound)

secondo (s - second)

Esso si compone delle tre unità fondamentali:

[L]

[M]

[T]glb

cmft

6,4531

48,301

Questo sistema è incompleto

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Il Sistema Internazionale

Il Sistema Internazionale di Unità (SI) è introdotto a livello internazionale nel 1960 dal CGPM e viene legalmente adottato in Italia nel 1978

unità simboloEquazione

Dimensionaleunità fondamentali

metro m [L]

secondo s [T]

kilogrammo kg [M]

kelvin K []

ampere A [I]

candela cd [J]

mole mol [N]unità supplementari

radiante rad []

steradiante sr []


• kilogrammo [kg]

rappresenta la massa del prototipointernazionale conservato al "Pavillon deBreteuil" in Sèvres

Note

• III CGPM, 1901

Definizioni delle unità di misura fondamentali

• metro [m]

rappresenta la lunghezza del tragittocompiuto nel vuoto dalla luce in unintervallo di tempo pari a 1/299 792 458di secondo

Note

• XVII CGPM, 1983• Incertezza 25 10-12m

I campioni del SI

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• secondo [s]

rappresenta l'intervallo di tempo che contiene9 162 631 770 periodi della radiazionecorrispondente alla transizione tra i due livelliiperfini dello stato fondamentale dell'atomo dicesio 133

Note

• XII CGPM, 1966 incertezza 10-14s

• kelvin [K]

rappresenta la frazione pari a 1/273,16 della temperatura termodinamica del puntotriplo dell'acqua.

Altri punti fissi:•punti tripli dell'idrogeno (13,8033 K), dell'ossigeno (54,3584 K), dell'argo (83,805 K), del mercurio (234,3156 K) e dell'acqua (273,16 K);• punto di fusione del gallio (302,9146 K);• punti di solidificazione dello stagno (505,078 K), dello zinco (692,677 K), dell'alluminio (933,473 K) e dell'argento (1234,93 K).

Note

• XIII CGPM, 1967



• candela [cd]

rappresenta l'intensità luminosa in unaassegnata direzione di una sorgente cheemette una radiazione monocromatica difrequenza pari a 540 1012 Hz e la cui intensità

energetica in quella direzione è di 1/683 W/sr

Note

• XVI CGPM, 1979

• ampere [A]

rappresenta l'intensità di corrente elettricache, mantenuta costante in due conduttorirettilinei, paralleli, di lunghezza infinita, disezione circolare trascurabile e posti alladistanza di 1 m l'uno dall'altro nel vuoto,produce tra i due conduttori la forza di 2 10-7

N su ogni metro di lunghezza

Note

• IX CGPM, 1948

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• radiante [rad]

rappresenta l'angolo piano fra due raggi di uncerchio che sottende sulla circonferenza un

arco di lunghezza pari al raggio

Note

• XI CGPM, 1960

• steradiante [sr]

rappresenta l'angolo solido che avendo il suovertice al centro di una sfera sottende unacalotta sferica avente un'area di dimensionipari al quadrato del raggio

Note

• XI CGPM, 1960


• mole [mol]

rappresenta la quantità di sostanza di unsistema che contiene tante entità elementariquanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio12

Note

• XIV CGPM, 1971.


K

A

scd

mol

m

kg

Unità SI indipendenti (●) e dipendenti (●)

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Alcune grandezze derivate


Grandezze derivate con simboli speciali

Spesso le varie unità di misura derivate hanno nomi formali propri

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Conversione delle principali unità di misura

Lunghezza

1 pollice (inch) = 2,54 cm

1 piede (feet) = 30,48 cm = 12 inch

Potenza

1 CV = 735 W

Pressione

1 bar = 105 Pa

1 atm = 101,325 Pa

Energia

1 kW/h = 3,60 1013 J

Temperatura

1 K = tc+273,15

1 F9

325 ct


Multipli e sottomultipli

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Enti Normatori Internazionali

Tutte le attività di coordinamento, ricerca e normazione inerenti i sistemi di misura sono regolate a livello internazionale dal CGPM

(Conferenza Generale di Pesi e Misure)

Questo organo:

• si occupa della diffusione e del perfezionamento del sistema diunità di misura adottato: S.I. (Sistema Internazionale)

• coordina il CIPM (Comitato Internazionale di Pesi e Misure) chene rende esecutive le sue decisioni

• controlla il BIPM (Bureau Internazionale di Pesi e Misure) che sioccupa della ricerca e del coordinamento


Enti Normatori Italiani

Gli enti normatori italiani sono l’UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione) ed il CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano)

Essi si occupano:

• della eventuale stesura di proposte avanzate a livello nazionale

• della divulgazione delle adozioni internazionali

• del controllo delle ricerca di metrologia

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I Campioni

Questi campioni devono essere:

• precisi in modo da costituire un riferimento perfetto per ilcontrollo della taratura degli strumenti e dell’esattezza delle unitàusate

• accessibili per essere disponibili a chiunque intende accedervi

• riproducibili in modo da poterli ricostruire in caso di un lorodanneggiamento o distruzione

• invariabili in modo da mantenere costante il proprio valore senzarisentire dell’azione di fattori esterni

Per poter ottenere riferimenti precisi ed accessibili delle unità di misura occorre realizzarne i campioni


La Scala di Riferibilità

Per poter disporre di campioni a livello capillare si è convenuto di definire vari tipi di campioni e di avvalersi del concetto di riferibilità.Si definiscono campioni metrici quei campioni che possono essere posti sulla scala di riferibilità. I campioni atomici sono ottimi per la

riproducibilità delle unità di misura e sono accurati, accessibili e stabili. Essi sono internazionali, cioè controllati con misure assolute a Sévres.

• campioni internazionali

• sono valutati e controllati mediante misure assolute

• non sono disponibili per l’ordinaria taratura degli strumenti di misura

• sono conservati dal BIPM

• campioni primari

• sono tarati mediante misure assolute nei laboratori nazionali

• non sono disponibili per l’ordinaria taratura ma servono a verificare quella dei campioni secondari

• sono conservati all’Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris (IENGF) e all’Istituto di Metrologia Gustavo Colonetti (IMGC), ora riuniti nell’INRIM.

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…...

• campioni operativi

• sono controllati tramite confronto con i campioni secondari

• sono utilizzati per il controllo degli strumenti da laboratorio e per applicazioni industriali

• sono disponibili sul mercato

La riferibilità è pertanto la proprietà di una misura di concordare con la misura prodotta per mezzo di un campione riconosciuto.

E’ anche la capacità che ha un campione a riferirsi a qualcosa di più preciso (ossia un suo riferimento).

• campioni secondari

• sono tarati mediante confronto con quelli primari

• sono utilizzati come campioni di riferimento

• sono conservati nei centri di taratura e nei laboratori di misura


Misura di una grandezza

fisica

Misura certamente

riferibileCampione

riconosciutoMisura

certamente riferibile

Confronto Confronto Confronto

Catena ininterrotta di confronti

La riferibilità di una misura è una proprietà oggettivamente riscontrabile: è sufficiente confrontare la misura con altra sicuramente riferibile, via via sino a risalire alla misura del misurando in questione prodotta con riferimento diretto ai campioni riconosciuti:

Approfondimenti sulla Riferibilità

Come già visto, si intende per riferibilità la proprietà di una misura diconcordare con la misura prodotta per mezzo di un campionericonosciuto: la riferibilità esiste quindi entro una definita incertezza(quella del campione di riferimento).

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Organizzazione della Riferibilità

- chi effettua la taratura dello strumento,- chi usa lo strumento.

La presenza di una duplice responsabilità impone la presenza di:

La riferibilità di uno strumento ricade sotto la responsabilitàdi:

un sistema organizzato che sovrintenda ai problemi della riferibilità (il Sistema Nazionale di Taratura in Italia, che costituisce una colonna del Sistema Qualità Italia)

un dettaglio all’interno della organizzazione di:- documentazione (procedure di misura, manuali, certificati di taratura, ecc.);- individuazione dei livelli di responsabilità (formazione del personale)


Il Sistema Nazionale di Taratura

Il Sistema Nazionale di Taratura (SNT) è l’organo in Italia che sovrintende ai problemi di riferibilità

• E’ composto dai laboratori primari (IENGF, IMGC, ENEA) e dalServizio di Taratura Italiano (SIT):

Istituti MetrologiciPrimari

CampioniNazionali

Strumenti e Campionidi Misura

realizzano-conservano-utilizzano

sono utilizzatitarano

producono Documentanola qualità

Misure Riferibili aCampioni Primari

Prodotti eServizi

Centri di TaraturaAccreditati

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I Centri SIT e il Sistema Nazionale di Accreditamento

I Centri di Taratura o Centri SIT operano come laboratori secondari ed hanno il compito di affiancare gli istituti primari nella

disseminazione delle unità di misura

Essi: - sono dotati di campioni secondari

- sono autorizzati dal Servizio di Taratura Italiano (SIT)Il Sistema Nazionale per l’Accreditamento dei Laboratori (SINAL) è

stato l’organo che si occupava di attestare la competenza di altri organismi a svolgere specifiche funzioni

Esso accreditava: - i laboratori di prova

- i sistemi di qualità aziendali (appannaggio più propriamente del SINCERT)

Nel 2008 è stato istituito per legge l’ Ente Unico di Accreditamento ACCREDIA, che ha assorbito il SINAL ed il SINCERT. Tramite di esso, in particolare, si accreditano ora i laboratori universitari.


Alcune regole di scrittura

Il CIPM ha fissato precise regole per la scrittura delle unità di misura e dei relativi simboli

• Le unità di misura, se sono scritte per esteso, devono essere scritte in minuscolo e prive di accenti, anche se sono derivate da nomi propri; ad esempio scriveremo ampere (non ampére), watt, joule, candela.

• I simboli devono essere scritti con l’iniziale maiuscola solo quando derivano da nomi propri di persona (ad esempio: A per ampere, W per watt, J per joule, ecc.) e con l’iniziale minuscola negli altri casi (ad esempio: cd per candela, kg per kilogrammo). I simboli delle unità, proprio in quanto tali e non abbreviazioni, non vanno mai puntati.

• Nella rappresentazione di una misura i simboli devono essere scrittisempre dopo il valore numerico (ad esempio scriveremo 3 kg e non kg 3)e mai in parentesi: mai 4 (A) oppure 4 [A]!

• Le unità monetarie si possono scrivere indifferentemente prima o dopo ilvalore numerico (10 $ oppure $ 10; 5,34 € oppure € 5,34).

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• Tranne alcune eccezioni, le unità e i simboli non vanno mai resi alplurale quando si riferiscono a misure diverse dall’unità, come è invececonsuetudine nei paesi anglosassoni. Si scriverà ad esempio “alcuniampere” e non “alcuni amperes”. Esistono alcune eccezioni (nomi diunità di misura italiani) a questa regola: si scrive infatti “alcuni metri” o“diversi secondi” e non “alcuni metro” o “diversi secondo”.

• Per scrivere in modo sintetico il risultato di una misura troppo grande otroppo piccola è bene ricorrere all’uso di prefissi da scrivere prima delsimbolo o dell’unità di misura (ad esempio scriveremo 3 mA, 2 pF). E’da evitare assolutamente l’uso del solo prefisso: una resistenza da 3 ko da 5 M, un condensatore da 2 p o da 5 n non vanno bene; èammesso solo l’uso del (micron) al posto del m, ad esempio 5 .

• Sono consentite le abbreviazioni (gr., mt., mq., ecc.), purché si metta ilpuntino, in quanto si abbrevia semplicemente l’unità scritta per esteso.Si cerchi comunque di evitare la scrittura “sec.”, in quanto ambigua.

Alcune regole di scrittura

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