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Le basi della riferibilità internazionale delle misure

19-20 giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 1

Dalla Convenzione del Metro all’MRA

Giancarlo Marullo Reedtz

Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica

(I.N.RI.M.)

Sommario

• Excursus storico

• Il Sistema Internazionale delle Unità (SI)

• Gli organismi della Convenzione del Metro

• Il ruolo dei Comitati Consultivi del CIPM

• Gli Istituti Nazionali di Metrologia (INM) e la riferibilità in


• Gli Istituti Nazionali di Metrologia (INM) e la riferibilità in una nazione

• Il Mutual Recognition Arrangement (MRA) fra gli INM

• Confronti di misura e gradi di equivalenza

• Riconoscimento mutuo delle capacità di taratura e misura (CMC) degli INM

• Conclusioni

Excursus / 1

• 26 marzo 1791: su proposta di una commissione nominata dall’Accademia delle scienze (Borda, Condorcet, Laplace, Lagrange e Monge) l’Assemblea Nazionale francese definisce il metro come 0,1x10-6 del quarto di meridiano passante per Parigi.

• Nei 7 anni seguenti Mechain e Delambre misurano il quarto di meridiano, da Dunkerque a Barcellona.

• Il 18 germinale dell’anno III (7 April 1795) il sistema metrico decimale (metro, grammo, litro) è introdotto nella Francia


decimale (metro, grammo, litro) è introdotto nella Francia rivoluzionaria con la legge dei pesi e delle misure.

• 22 giugno 1799: i campioni del metro e del chilogrammo sono depositati negli Archivi della Republica.

• Sistema metrico adottato in Olanda (1816), Francia (1837), Spagna (1849), America Latina (1860), Piemonte (1845), Regno d’Italia (1861).

• Nel 1866 un Atto del Congresso americano definisce il sistema metrico “lawful throughout the United States of America”.

Excursus / 2

• 20 maggio 1875: firma del Trattato del Metro da parte di 17 paesi.

• 1886-1889: 30 campioni del metro e 43 campioni del chilogrammo sono fabbricati da un singolo lingotto in Pt-Ir. Dopo misure di confronto, uno è definito come campione internazionale, gli altri sono distribuiti ai firmatari del Trattato.

• 1889: prima Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure.

• Sono fondati: Physikalisch-Technische Reichsanstalt (1887, ora PTB), National Physical Laboratory (1900), National Bureau of


PTB), National Physical Laboratory (1900), National Bureau of Standards (1901, ora NIST).

• 1921: Trattato del metro emendato per includere le unità elettriche e fotometriche.

• 1 gennaio 1948: entra in vigore il sistema MKSA (metro, chilogrammo, secondo, ampère).

• 1954: la 10a CGPM delibera aggiunta del Kelvin e della candela.1960: l’11a CGPM approva la denominazione di Sistema Internazionale di Unità (SI). 1971: 14a CGPM aggiunge la mole.

Excursus / 3

• In Italia:

– IENGF istituito nel 1935 come centro nazionale di alti studi nel campo delle discipline elettriche.

– IMGC istituito nel 1968, per fusione dell’Istituto Dinamometrico Italiano e dell’Istituto Termometrico Italiano, del CNR.


Italiano, del CNR.

– 1991: legge 273 istituisce il Sistema Nazionale di Taratura. Sono Istituti Metrologici Primari: IENGF, IMGC-CNR, INMRI-ENEA.

– 1 gennaio 2006: nasce l’INRIM, ente autonomo fusione di IENGF e IMGC. INMRI-ENEA rimane INM per le Radiazioni Ionizzanti.

Il Sistema Internazionale (SI)

oggi


domani?

La Convenzione del Metro

• Paesi Membri della Convenzione: 51

• Paesi Associati alla Convenzione: 27

• Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (CGPM) formata dai delegati dei governi degli stati membri, si riunisce ogni 4 anni: valuta il lavoro svolto dal CIPM, approva risoluzioni di carattere scientifico (es. modifiche del SI), approva il budget del BIPM.

• Il Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure (CIPM) prepara la


• Il Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure (CIPM) prepara la riunione della CGPM di cui esegue le deliberazioni, sovraintende all’attività del BIPM, coordina l’attività metrologica internazionale avvalendosi di Comitati di esperti (Comitati Consultivi)

• L’Ufficio Internazionale dei Pesi e Misure (BIPM, 70 dipendenti, budget 10 Meu) svolge attività tecnico-scientifica a supporto della diffusione dell’SI, coordina gli Istituti Nazionali di Metrolgia (INM) organizzando confronti di misura, riproduce egli stesso le unità di base e le dissemina ai membri della convenzione, svolge attività di ricerca in metrologia.

Organi della Convenzione


I Comitati Consultivi del CIPM /1

• Organi tecnici che raccolgono gli Istituti metrologici più avanzati in una determinata area.

• Discutono i risultati della ricerca internazionale, preparano raccomandazioni al CIPM su temi metrologici, avviano confronti chiave di misura e ne approvano i risultati, danno indicazioni


ne approvano i risultati, danno indicazioni sull’attività del BIPM nella propria area.

• Primo CC fondato nel 1927 (CCE, ora CCEM) ultimo nel 1998 (CCAUV).

• Formano Working Groups permanenti o temporanei, per affrontare problemi specifici.

I Comitati Consultivi del CIPM /2

CCAUV Acustica, Ultrasuoni, Vibrazioni

CCEM Elettricità e Magnetismo

CCL Lunghezza

CCM Massa

CCPR Fotometria e Radiometria


CCPR Fotometria e Radiometria

CCQM Quantità di Sostanza

CCRI Radiazioni Ionizzanti

CCT Temperatura

CCTF Tempo e Frequenza

CCU Unità di Misura

Esempio: i gruppi di lavoro del CCEM

• WGLF – Low Frequency measurements

• WGHF (GT-RF) – High Frequency measur.

• WGACQHR – AC Quantum Hall Resistance

• WGKG – Monitoring the kg


• WGKG – Monitoring the kg

• WGSI – Proposed Changes to the SI

• WGRMO – Regional Metrology Organisations

• WGSP – Strategic Planning

I laboratori secondari e l’accreditamento

• L’Istituto Nazionale di Metrologia (INM) non può assicurare direttamente la riferibilità a tutti i potenziali utenti.

• Usualmente l’INM fornisce la riferibilità ad un insieme di laboratori secondari, che operano come Centri di Taratura.

• Garanzia della qualità delle misure dei Centri è il sistema di accreditamento per l’attività di taratura (in Italia sotto la sigla SIT, Servizio di Taratura in Italia), che fa riferimento alla norma ISO/IEC


Servizio di Taratura in Italia), che fa riferimento alla norma ISO/IEC 17025.

• L’accreditamento assicura circa la competenza dei Centri e la conformità del loro modo di operare alla norma: la valutazione si basa sia sui documenti dei Centri sia su confronti di misura con l’INM.

• I sistemi di accreditamento nazionali collaborano in organismi internazionali per assicurare il mutuo riconoscimento dei certificati emessi nell’ambito dell’accreditamento (in Europa EA, European cooperation for Accreditation).

Equivalenza delle misure a livello globale

• L’esigenza di assicurare la riferibilità delle misure è alla base della firma della Convenzione del Metro e dello sviluppo dell’SI.

• Uno degli scopi del BIPM è sempre stato quello di organizzare periodici confronti di misura fra gli INM, con risultati pubblicati su rapporti tecnici interni e a volte su riviste scientifiche.

• Scopo principale dei confronti era essenzialmente quello di conoscere la differenza fra le unità di misura nazionali e verificare la bontà di eventuali nuovi riferimenti proposti.


conoscere la differenza fra le unità di misura nazionali e verificare la bontà di eventuali nuovi riferimenti proposti.

• Più recentemente l’importanza assunta dal mutuo riconoscimento dei certificati di misura nell’ambito di un mercato globale (tested once and accepted everywhere) ha portato all’obiettivo di garantire l’equivalenza delle misure degli INM in modo sistematico, trasparente e documentato.

• Questa attività è svolta nell’ambito di un accordo: il Mutual Recognition Arrangement (MRA)

Il Mutual Recognition Arrangement (MRA)

• L’MRA, varato nell’ottobre 1999, è stato promosso dal CIPM, ed è a partecipazione volontaria.

• E stato firmato ad oggi da 73 INM (45 Stati membri e 26 Economie e Stati associati alla CGPM), dalla IAEA e dal IRMM. Copre ulteriori 117 Istituti designati dai firmatari all’interno dei propri paesi.


all’interno dei propri paesi.

• E’ volto a:

– definire i gradi di equivalenza delle misure dei partecipanti

– assicurare il riconoscimento mutuo dei certificati di taratura e misura

• L’MRA intende costituire la base tecnica per più ampie intese fra gli Stati in tema di commercio, di scambi internazionali e di attività normativa.

MRA – le basi tecniche

• Confronti internazionali di misura (“chiave” e “supplementari”) per valutare il grado di equivalenza dei campioni nazionali.

• Adozione da parte di ciascun INM di un sistema qualità per l’attività di taratura e misura (ISO/IEC 17025) e dimostrazione di competenza (partecipazione all’attività metrologica internazionale).


internazionale).

• Dichiarazione e mutua analisi, fra gli INM, delle proprie capacità di taratura e misura (CMC).

• Pubblicazione dei risultati dei confronti e della lista delle CMC in un data base (KCDB) ad accesso pubblico, gestito dal BIPM (http://kcdb.bipm.org)

Ruolo fondamentale nell’MRA hanno gli organismi metrologici regionali (RMO): EURAMET, COOMET, APMP, SIM, SADCMET

MRA: responsabilità e organizzazione

• L’accordo impegna esclusivamente gli organismi firmatari (carattere tecnico e non diplomatico, senza implicazioni legali).

• E’ coordinato dal BIPM sotto l’egida del CIPM.

• Responsabili per i confronti chiave e


• Responsabili per i confronti chiave e supplementari sono: i Comitati Consultivi (CC), gli organismi metrologici regionali (RMO) e il BIPM.

• Responsabile per il processo di mutua analisi delle CMC è il JCRB (Joint Committee of the RMOs and the BIPM).

Confronto chiave di misura


Confronti chiave e supplementari di misura

• I confronti chiave (key comparisons) riguardano le grandezze principali di un’area di misura.

• Sempre decisi da un CC, iniziano con un confronto fra gli NMI partecipanti al CC (confronto CIPM) sotto il coordinamento di un laboratorio pilota e in base ad un protocollo concordato.

• Al termine viene valutato il valore di riferimento del confronto (key comparison reference value, KCRV).

• Ad ogni partecipante è attribuito un grado di equivalenza (DoE) dato


• Ad ogni partecipante è attribuito un grado di equivalenza (DoE) dato dallo scostamento del suo risultato dal valore di riferimento e dall’incertezza di tale scostamento (usualmente al 95%).

• I corrispondenti confronti regionali e bilaterali estendono, attraverso i partecipanti comuni, i DoE ad altri INM.

• Il KCDB fornisce i report finali dei confronti e i DoE dei partecipanti.

• I confronti supplementari sono promossi dalle regioni, non propongono DoE, ma il rapporto finale del confronto è anch’esso pubblicato sul KCDB.

Confronto chiave: capacità elettrica

• CCEM-K4

• Misure: 1996 – 1998. Pubblicato 2002 (KCDB).

• Pilota: NIST (USA)

• 4 campioni C=10 pF

• Condizioni di misura: 100 V, 1592 Hz, 25 °C


• Condizioni di misura: 100 V, 1592 Hz, 25 °C

• Lab. partecipanti: 11 INM (4 RMO) in due circolazioni

• Riferibilità: condensatore calcolabile (7), QHR (3), altro INM (1)

• A ogni partecipante sono inviati 2 campioni

• E’ richiesto: valore di C (25°C ± 1 m°C) con bilancio completo di incertezza.

Andamento del campione viaggiatore:

punto delicato di molti confronti


Interpolazione dei dati del laboratorio pilota: campione S/N 185

Si valuta la differenza di ogni lab. dal valore interpolato del pilota

Dall’andamento del campione si valuta l’incertezza dovuta al trasporto

Calcolo del valore di riferimento (KCRV)

e del grado di equivalenza (DoE)

• Media delle differenza di ogni lab. rispetto alla interpolazione del pilota (2 campioni viaggiatori per ogni lab.).

• Definizione di un unico risultato del pilota e quindi, dalle differenze precedenti, di un valore di capacità fittizio per ogni lab.

• Aggiunta all’incertezza tipo di misura fornita dai lab. dell’incertezza tipo dovuta al trasporto: uC

2= uL2+ uT

2


tipo dovuta al trasporto: uC = uL + uT

• KCRV: media pesata (1/ uC2) dei valori di capacità di quei lab. che

riferiscono la misura al proprio condensatore calcolabile (indipendenza). Al KCRV è associata l’incertezza della media pesata.

• DoE è lo scostamento della capacità fittizia di ogni lab. dal KCRV, con associata la corrispondente incertezza U (95%).

• Per i laboratori che hanno contribuito al KCRV si tiene conto nel calcolo di U della correlazione.

Gradi di equivalenza


Confronto chiave: rapporti di tensione DC

• CCEM-K8

• Misure: 1999-2001. Pubblicato: 2003 (KCDB).

• Pilota: IEN (ora INRIM).

• Campione: divisore resistivo Datron 4902S.


• Lab. partecipanti: 15 INM (5 RMO).

• Riferibilità: non applicabile.

• Richiesti: rapporti di tensione DC 1000V/100V e 100V / 10V (più altri rapporti opzionali), con bilancio completo di incertezza e descrizione del metodo di misura (7 metodi diversi!).

Andamento del campione viaggiatore

Interpolazione dei dati del laboratorio pilota per rapporto 100V / 10 V. Dalla deviazione standard della interpolazione si ottiene l’incertezza dovuta al


l’incertezza dovuta al trasporto.

Guasto all’inizio del confronto. L’andamento potrebbe essere dovuto allo stabilizzarsi della sezione resistiva sostituita.

Calcolo del valore di riferimento (KCRV)

• Risultati normalizzati alla stessa temperatura e umidità.

• Alla incertezza fornita dai laboratori si aggiunge quella per le correzioni e quella per il trasporto del campione.

• Calcolo delle differenze rispetto alla interpolazione dei dati del pilota.


dati del pilota.

• Applicazione di un criterio “robusto” per individuare i risultati non compatibili.

• KCRV dato dalla media aritmetica dei dati rimasti. Incertezza data dalla deviazione standard della media.

• DoE dato dalla differenza di ogni lab. dal KCRV e dalla incertezza U della differenza (95%).

Criterio robusto per individuare i risultati non compatibili

• Calcolo della mediana delle differenze xi rispetto al

pilota, xmed (pilota partecipa con valore 0).

• Applicazione del criterio:

)(5.2| MADsx ⋅>− medi x|


)(5.2| MADsx ⋅>− medi x|

ove:

s(MAD)= 1.4826 · MAD

MAD = mediana (|xi – xmed|)

s(MAD) è la dev. standard delle differenze nel caso queste abbiano distribuzione gaussiana

J. Randa, documento GT-RF/2000-12

Gradi di equivalenza


Capacità di taratura e misura (CMC)

• Ciascun INM propone alla propria RMO (EURAMET ecc.) le sue CMC, indicando le ragioni che le sostengono (riferibilità, risultati di confronti di misura, descrizione del metodo, ecc.).

• Le CMC devono essere coperte dal Sistema Qualità dell’INM (procedura tecnica).

• Le CMC proposte sono sottoposte ad un gruppo tecnico della RMO di appartenenza.


RMO di appartenenza.

• Le CMC approvate sono sottoposte all’esame di almeno altre due RMO.

• Infine le CMC sono approvate da un apposito comitato congiunto formato dalle RMO e dal BIPM (JCRB) e pubblicate sul KCDB.

• Allo scopo di meglio organizzare la raccolta e l’analisi delle CMC, in alcune aree si è proceduto ad una classificazione delle possibili capacità di misura.

Classificazione di Elettricità e Magnetismo, cat. 1

1) DC voltage

2) DC resistance

3) DC current

4) Impedance

5) AC voltage

6) AC current


6) AC current

7) AC power

8) High voltage and current

9) Other DC & LF

10) Electric and magnetic fields

11) Radio frequency meas.

12) Meas. on materials

Tabelle delle CMC


Questo certificato è coerente con le capacità di taratura e

misura (CMC) che compaiono nell’appendice C dell’Accordo di

mutuo riconoscimento (MRA) redatto dal Comitato

internazionale dei pesi e misure (CIPM). Nell’ambito dell’MRA,

tutti gli Istituti partecipanti riconoscono reciprocamente la validità

dei certificati di taratura e misura per le grandezze, i campi di

misura e le incertezza specificate nell’appendice C (vedere

http://www.bipm.org)

Nota MRA

Conclusioni

• L’evoluzione tecnologica e l’integrazione fra le aree geografiche richiedono la fiducia nella equivalenza delle misure.

• Essa è oggi basata, a livello internazionale, sull’adozione dell’SI e sulle attività previste dall’MRA.

• Le basi dell’MRA sono i confronti di misura, l’analisi


• Le basi dell’MRA sono i confronti di misura, l’analisi reciproca delle capacità di misura dichiarate dagli INM, la trasparenza dei processi messi in atto.

• L’attività di ricerca svolta dagli INM assicura che le capacità di misura e lo stesso SI siano sempre all’altezza, e possibilmente un passo avanti, rispetto alle necessità applicative.

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