INRIM : Metrologia che cos’è ?

Il 26 marzo 2024 si è svolta presso il Centro Incontri dell’Unione Industriali di Torino in V. Vela 21 la prima delle tre Conferenze di Metrologia organizzate dal CDT per i propri soci e che saranno tenute dall’Ing. Alessandro Balsamo di INRiM – Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica.

Il titolo di questa prima conferenza è “Metrologia che cos’è” mentre le altre due, che saranno tenute il 14 maggio e il 18 giugno, hanno come titolo rispettivamente “Il Sistema Internazionale delle Unità di Misura (SI)” e “Misurare per decidere”. Nell’ottica di un naturale approfondimento della conoscenza del mondo metrologico, il 4 Giugno si terrà inoltre una visita presso i laboratori INRIM di Strada delle Cacce 91, Torino.

 

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L’INRiM è stato formalmente costituito nel 2006, ma la sua storia è ben più antica in quanto ha assunto le attività che precedentemente erano affidate all’Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris e all’Istituto di Metrologia Gustavo Colonnetti, fondati entrambi a Torino nel secolo scorso.

È un ente pubblico di ricerca scientifica che svolge e promuove la ricerca nell’ambito della metrologia; realizza, sviluppa e mantiene i campioni nazionali per le unità di misura necessari per la riferibilità e per il valore legale delle misure nei settori dell’industria, del commercio, della ricerca scientifica e della salvaguardia della salute e dell’ambiente.

Inoltre valorizza, diffonde e trasferisce le conoscenze e i risultati ottenuti nella scienza delle misure e nella ricerca sui materiali, per favorire lo sviluppo tecnologico nazionale e il miglioramento della qualità della vita e dei servizi per il cittadino.

L’Ing. Michele Verdi, socio CDT e Membro del Team T-S, organizzatore del ciclo di eventi, presenta il relatore Ing. Alessandro Balsamo, Dirigente di Ricerca dell’INRiM, Struttura AE Metrologia applicata e Ingegneria, Settore AE 02 Metrologia della lunghezza. L’ing. Balsamo ha una esperienza pluridecennale nella metrologia dimensionale, ed in particolare sulle macchine di misura a coordinate: è autore di circa 150 pubblicazioni scientifiche, titolare di brevetti: oltre ad avere ricoperto importanti posizioni in INRIM, è molto attivo nell’ambito della normazione  internazionale e nazionale, essendo membro della Commissione tecnica ISO/TC213 , che ha in carico il sistema delle norme GPS (Global Product Specification), per cui  è stato Responsabile di Progetto di 3 norme internazionali,  e della commissione tecnica UNI/CT 047 TPD e GPS. Oltre all’attività di ricerca e normazione, l’Ing. Balsamo ha un ruolo attivo nel supporto all’industria come fondatore dell’associazione CMMCLUB di cui è Presidente. L’associazione intende sviluppare la cultura tecnica e scientifica nel settore della metrologia, fornisce un validissimo supporto al suo corretto impiego quotidiano nelle realtà industriali, e costituisce un importante network di 60 aderenti tra costruttori e di utenti.

È seguita l’introduzione del Presidente del CDT Antonio Errichiello che ha ringraziato il relatore a nome dei Soci per l’opportunità che l’INRiM ha dato loro di ampliare le proprie conoscenze sul “meraviglioso mondo della Metrologia”, scienza e tecnica che permette di decidere correttamente sulla base di dati ottenuti con misurazioni accurate, ossia giuste e precise, non soltanto sui luoghi di lavoro, ma anche a casa e in ogni momento della vita quotidiana.

In questa prima conferenza il relatore ha illustrato ai Soci presenti i fondamenti della Metrologia, disciplina scientifica prima ancora che tecnica: dopo avere spiegato cos’è e a cosa serve, ne ha illustrato i concetti di base e la terminologia, soffermandosi poi sulle unità e i sistemi di misura.

Ha infine descritto la Convenzione del Metro e l’accordo di mutuo riconoscimento BIPM-MRA, sottolineando l’importanza che ha per il nostro Paese essere fra gli attori principali a livello internazionale nel campo metrologico.

NOTA: Nel seguito della presente news sono riportate diverse slides selezionate fra tutte quelle utilizzate durante la conferenza che l’Ing. Balsamo ha cortesemente permesso di inserire nel sito web del CDT. Sono consultabili al seguente link

2024-03-26 CDT – Metroloogia, che cos’è

1. Metrologia: cos’è e a che cosa serve

Prima di tutto è necessario non inciampare nelle parole, definendo quindi i concetti di base illustrati nella seguente slide:

In secondo luogo avere ben chiaro che misurazione e grandezza (fisica, chimica, elettrica, etc.) sono strettamente collegate fra di loro come riportato nelle due seguenti slides

 

 

Si può sintetizzare l’essenza della Metrologia con il pensiero dello scienziato Lord Kelvin, il quale insegnava che: “Solo se si può misurare ed esprimere numericamente ciò di cui si sta parlando si può affermare di saperne qualcosa, altrimenti la conoscenza sarà povera e insoddisfacente.

E comunque non scientifica”.

Ma non occorre essere uno scienziato per giovarsi della possibilità di misurare, come illustra la slide seguente

Ma a che serve “misurare”? Beh, alcuni esempi sono riportati qui di seguito

In campo industriale ci sono prodotti che misurano (strumentazione e apparecchiature di misura), altri che vengono misurati (la grande maggioranza) e infine quelli che devono essere misurati anche durante la loro produzione per verificare che siano “in tolleranza”, requisito tassativo per consentirne la compatibilità fisico-funzionale con altri prodotti.

2. Concetti di base e terminologia

 

In Metrologia è essenziale utilizzare correttamente i termini perché esprimono concetti e il loro utilizzo approssimativo genera confusione concettuale. Il testo di riferimento è il VIM (Vocabolario Internazionale di Metrologia).

Inoltre, come precisato nelle slides che seguono, misurare ha un costo e quindi deve essere un’azione mirata e non fatta solo per abitudine e senza sapere bene cosa farsene dei dati quantitativi ottenuti: prima si definisce lo scopo per cui si misura e dopo si stabilisce cosa misurare e come misurarlo.

A titolo di esempio, si può osservare che misurare il “diametro” di un cerchio, senza altre specificazioni, quali ad es. il diametro massimo inscritto di un foro (che ne determina la luce interna) oppure il diametro minimo circoscritto di un albero (che ne determina l’ingombro esterno), comporta incertezza di definizione con il rischio di non ottenere l’informazione che interessa realmente.

Una misura può essere o meno “accurata”, in funzione sia della sua “giustezza” che della sua “precisione”

La giustezza è data dalla concordanza “esterna” fra la media di un grande numero di misurazioni effettuate ripetutamente nelle medesime condizioni operative (persona che fa le misurazioni, metodo di misura, misurando, strumentazione utilizzata, ambiente in cui si opera) e un valore di riferimento. In pratica, è tanto migliore quanto minore è lo scostamento (bias) fra tale media e il valore di riferimento assegnato: nella slide sottostante è la distanza fra il pallino verde (media delle misure) e il centro del bersaglio (valore di riferimento).

La precisione è data dalla concordanza “interna” fra i valori ottenuti da un certo numero di misurazioni ripetute nelle medesime condizioni operative.

In pratica, è tanto migliore quanto meno sono dispersi i valori misurati, indipendentemente da dove siano collocati rispetto al centro del bersaglio (valore di riferimento)

L’insieme della giustezza e della precisione determina l’accuratezza di una misura, nel senso che se i valori misurati sono giusti e precisi allora sono definibili come accurati (vedi slide sottostante)

NOTA: I concetti sopra espressi sono fondamentali per valutare la “qualità” delle misurazioni fatte non solo in laboratorio, ma anche sul campo (ad esempio nei reparti produttivi di aziende manifatturiere) dove è necessario decidere tempestivamente se un determinato particolare è conforme o no alle specifiche assegnate, che è poi lo scopo della misura…

In diversi settori di attività esistono delle prescrizioni specifiche per valutare tale “qualità”: ad es. nel settore automotive è tassativo utilizzare un ben determinato approccio noto agli operatori del settore come MSA (Measurement Systems Analysis) Nota MV: suggerisco di mantenere il resoconto focalizzato su quanto detto da Balsamo. MSA non è mai stato da lui citato.

Per “errore di misura” s’intende la differenza fra un valore misurato e il “valore vero” del misurando

Tale errore è in parte noto, e quindi compensabile con appositi accorgimenti, e in parte ignoto dovendo quindi essere accettato come intrinseco al sistema di misurazione utilizzato. La stima della sua entità dà luogo alla “incertezza di misura”, concetto fondamentale, ma la cui importanza è largamente sottovalutata: come il relatore ha sottolineato “Una misura composta solo da un valore e non accompagnata dall’incertezza vale (metrologicamente) poco!”

Senza volere entrare in dettagli tecnici, per i quali si rimanda alle slides presenti nel sito web del CDT, è opportuno sottolineare che errori e incertezza sono due cose diverse e da non confondere:

A cosa serve avere una stima dell’incertezza? La risposta non è difficile: una bassa incertezza dei dati disponibili consente di prendere decisioni più “mirate” mentre nel caso di un’incertezza elevata si può fare meno affidamento sulla correttezza delle decisioni prese e quindi delle loro conseguenze concrete.

Sono stati poi esposti concetti e applicazioni pratiche relativi alla taratura e alla verifica degli strumenti insieme con la determinazione dell’ “Errore Massimo Ammesso” (MPE).

Molto sinteticamente (e sempre rimandando alle slides presenti nel sito web del CDT) la taratura differisce da una verifica in quanto la prima implica una correzione dell’indicazione data dallo strumento mentre la seconda attesta che uno strumento soddisfa o non soddisfa ai requisiti specificati per lo strumento stesso, tipicamente l’MPE

3. Unità e sistemi di misura

Il risultato di una misura, cioè il valore di una grandezza misurata, non è composto solo da un numero (razionale), ma anche da un riferimento ad un’altra grandezza dello stesso tipo presa come “unità” (di misura). Se i riferimenti sono diversi, il numero che esprime il valore cambia, ma la grandezza misurata è ovviamente la stessa: ad es. m = 73,29 kg = 161,58 lb. Le unità di misura sono state scelte, oltre che in base alla loro stabilità nel tempo e alla loro facile riproducibilità, anche in modo da corrispondere a grandezze non troppo grandi o troppo piccole, fermo restando che si possono esprimere con multipli e sottomultipli.

Una necessità, anche questa spesso sottovalutata come importanza, è di esplicitare le unità di misura utilizzate quando i dati sono scambiati fra organizzazioni che ne adoperano di differenti fra di loro: il fallimento della missione NASA-MCO , vedi slide, è stato determinato proprio da un comportamento inidoneo al mantenimento di una corretta riferibilità delle grandezze in gioco!

NOTA: Fu la mancata conversione da Libbra-forza a Newton che portò l’Orbiter a schiantarsi sul suolo marziano invece di orbitargli intorno!

Le unità di misura sono innumerevoli, ma è in atto da tempo un’attività di razionalizzazione: per lunghezza, area e volume c’erano unità di misura diverse quali ad es. piede, giornata, brenta… che oggi sono ridotte a una: il metro (m) con le sue potenze metro quadrato (m²) e metro cubo (m³ )

La tendenza all’unificazione ha portato alla creazione del Sistema Internazionale delle Unità di Misura (SI) posto sotto la “Convenzione del Metro”

4. La Convenzione del Metro

Consiste in un Trattato diplomatico sottoscritto da 17 stati il 20 maggio 1875 che ha stabilito le linee da seguire per la determinazione di unità di misura internazionalmente valide.

Oggi è riconosciuto e seguito da 64 Paesi Membri e 36 Associati.

Questa Convenzione ha costituito tre Organizzazioni con il compito di operare congiuntamente:

• Conférence Générale des Poids et Mesures(CGPM) costituito dai delegati dei Paesi membri
• Comité International des Poids et Mesures(CIPM) Comitato amministrativo del Trattato
• Bureau International des Poids et Mesures(BIPM) Centro internazionale di metrologia, Sèvres

A queste Organizzazioni si aggiungono 10 Comitati Consultivi, uno per ciascun settore metrologico. La struttura della Convenzione del Metro è illustrata nella slide sottostante

5. L’accordo di muto riconoscimento BIPM-MRA

Fra gli Istituti di Metrologia Nazionali – NMI (per l’Italia l’INRiM) è stato stipulato nel 1999 il Mutual Recognition Arrangement – MRA  relativamente ai campioni di misurazione nazionali ed ai certificati di taratura. Si tratta del più importante accordo siglato dopo la Convenzione del Metro prima illustrata, ma non è un trattato diplomatico: è un reciproco riconoscimento in base al quale gli NMI possono ritenere validi i certificati di taratura emessi dai loro omologhi in altri Paesi. Per la continuità di tali accordi è necessaria una verifica periodica dell’accuratezza dei campioni di misura nazionali mantenuti dagli NMI.

Ai fini dell’MRA il mondo è stato suddiviso in 6 Organizzazioni Regionali Metrologiche (MRO) che organizzano l’MRA nella propria regione coordinandosi a livello mondiale

La realizzazione concreta dell’MRA è descritta nella slide sottostante con un esempio reale di CMC (Calibration & Measurement Capability) relativo ai blocchetti pianparalleli in acciaio e ceramica gestiti da INRiM: per avere un’idea degli ordini di grandezza di cui si sta parlando si pensi che il valore dell’incertezza estesa U è un po’ meno di 50 nanometri (in unità “improprie”, ma piuttosto diffuse nelle aziende, corrisponde a  5 centesimi di “micron”…) su una lunghezza di 100 mm

Ciascun NMI opera secondo lo schema di Gestione per la Qualità della ISO/IEC 17025; le CMC dichiarate di propria pertinenza sono analizzate documentalmente nell’ambito dell’RMO di cui si fa parte e validate sperimentalmente con misure effettive analizzate, verificate ed approvate.

Le CMC approvate sono registrate in un Data Base di Confronti Chiave – KCDB  a livello mondiale e sono periodicamente verificate sia a livello gestionale che come risultati sperimentali.

È interessante sapere che per verificare se un NMI misura correttamente c’è un sistema di interscambio di “campioni viaggianti” sui quali ciascun NMI fa le misurazioni previste. Successivamente vengono confrontati i risultati ottenuti con il valore di riferimento pari alla media pesata di tutti i risultati: se il modulo dell’errore normalizzato commesso è ≤ dell’incertezza estesa  allora la CMC è convalidata; in caso contrario occorre definire e attuare specifiche azioni correttive.

Nella slide seguente sono riportate le conclusioni generali che si possono trarre da quanto esposto in questa prima interessante conferenza condotta con maestrìa dall’Ing. Balsamo, in primis che “Misurare serve a conoscere, e quindi a capire e decidere”

Al termine della conferenza ci si è trasferiti nel vicino Circolo di UI-TO per il consueto buffet di networking durante il quale l’Ing. Balsamo, a dimostrazione dell’interesse suscitato, ha risposto alle domande di diversi Soci, specificatamente sulla difficile misura della temperatura dell’aria.

Al riguardo può essere utile ricordare che il 28 settembre 2023 è stata inaugurata nel parco di Stupinigi la prima Stazione Climatologica di Riferimento italiana, gestita dall’INRiM insieme alla SMI. La Stazione fa parte del nascente network mondiale di stazioni climatologiche di massimo livello, interconnesse tra loro, candidando quindi l’INRiM come centro di eccellenza nella metrologia per il clima.

 

A cura di Giovanni Zurlo – Consigliere CDT e Membro del Team T-S