Perché facciamo misure?
“Io spesso affermo che quando potete misurare ciò di cui state parlando, e potete
esprimerlo in numeri, allora conoscete qualcosa di ciò di cui parlate; ma
quando non potete esprimerlo in numeri, allora la vostra conoscenza è scarsa ed
insoddisfacente; può rappresentare un inizio di conoscenza, ma vi siete
addentrati, nei vostri pensieri, assai poco nel campo della scienza, qualunque sia
l’argomento che state trattando. Perciò, se scienza significa misurare, senza
la metrologia non ci può essere scienza.”
William Thomson (Lord Kelvin)
6 maggio 1886
Perché facciamo misure?
•Nella società dell’informazione le misure costituiscono l’origine della
conoscenza.
•Tutto oggi si misura.
•Le misure si comprano e si vendono.
Che valore hanno le misure?
•Globale: 6% del PIL
•Delle misure elettriche nell’industria: 4% del fatturato
•Delle analisi biomediche: 5% del costo complessivo
dell’assistenza sanitaria
Quanto incidono le misure sul costo dei prodotti?
Metodi conoscitivi
Classificazione: suddivide gli oggetti ed i fenomeni in classi (gli oggetti rossi,
oggetti che si trovano in un luogo etc…). È spesso utilizzata in botanica, in
zoologia e in mineralogia)
Ordinamento: consente di stabilire una relazione d’ordine fra le
manifestazioni della caratteristica o della proprietà scelta come rilevante per
la descrizione di un fenomeno o di un oggetto. Si costruisce una scala
ordinata con la quale determinare la posizione di ciascun oggetto/fenomeno
che presenta la caratteristica considerata. Problema delle operazioni (somma,
prodotto).
Misurazione: fornisce un risultato conoscitivo di tipo quantitativo. Si
costruisce una mappatura delle caratteristiche in un insieme numerico.
La misurazione
•Modelli di interpretazione del mondo empirico;
•Adeguate convenzioni al fine di descrivere senza ambiguità il
contenuto qualitativo di informazione ottenuto.
La misurazione è un procedimento empirico e oggettivo con il quale
vengono assegnati dei numeri alle proprietà di oggetti o fenomeni
del modo reale con il fine di descriverli quantitativamente.
Cosa significa misurare una grandezza?
•La misura di una grandezza è generalmente definita come
il confronto quantitativo di questa stessa grandezza con
un’altra grandezza, omogenea con quella che si vuole
misurare, che viene considerata come l’unità di misura.
• Cinque diversi “agenti” contribuiscono al processo di
misura.
Il misurando
Il misurando è l'oggetto fisico su cui vengono eseguite le misure.
Esempio: Un resistore - Un blocco di materiale isolante - Ecc.
L'operazione di misura si prefigge, in genere, la valutazione quantitativa
di una proprietà del misurando.
Esempio: La resistenza del resistore.
Generalmente il misurando viene rappresentato attraverso un modello
matematico.
Esempio: V = R I
Il campione
Il campione realizza fisicamente l'unità di misura con la quale si vuole
confrontare il misurando.
Guida alla scelta del campione
la precisione delle misure dipende dalla definizione del
campione.
la definizione può cambiare nel tempo man mano che si dispone di nuove
conoscenze e nuova tecnologia per migliorare la precisione delle misure.
Un campione deve essere:
•accessibile e riproducibile
•invariabile
Il metodo
•Con metodo di misura si intende la modalità con cui si esegue il
confronto fra misurando e campione
•Il metodo di misura sfrutta, generalmente, un fenomeno fisico.
Lo strumento
•E’ l’oggetto con cui si esegue il confronto fra misurando e
campione, secondo le modalità previste dal metodo impiegato.
L’operatore
•Coordina e supervisiona la sequenza di operazioni previste dal metodo
di misura impiegato.
•Legge le indicazioni degli strumenti.
•Elabora le letture per ottenere il risultato della misura.
•Può non essere "umano"
•Sistemi automatici di misura.
Una prima conclusione
«Misure» e «Strumentazione» sono le due facce di una stessa medaglia.
La scienza delle misure studia le metodologie con cui è possibile eseguire il
confronto quantitativo di una grandezza fisica con il relativo campione.
Lo stesso principio può essere applicato alla misura di altre quantità
Gradimento di servizi.
Customer satisfaction
Gli strumenti e gli apparati di misura sono i dispositivi che eseguono il
confronto.
Quindi ha senso affrontare insieme lo studio di misure e strumentazione.
Un passo indietro: le grandezze
Una grandezza, oggetto di misura, è una entità generica del sistema
osservato.
Le grandezze possono essere suddivise in due categorie sulla base della
loro definzione:
•Fisiche: definite mediante modelli legati alle leggi della fisica (ad esempio
la lunghezza ed il tempo);
•Convenzionali: definite in base alla modalità di misurazione.
I campioni e le unità di misura
Fino ad un passato non troppo lontano, i campioni erano esclusivamente
realizzazioni materiali di una determinata grandezza.
Esempio: Il metro - Il kilogrammo
Le unità di misura facevano riferimento a manufatti assai spesso
"locali", talvolta "antropomorfi“.
Esempio: Il braccio, il piede, il pollice, …
Facevano eccezione le unità di tempo, che facevano riferimento a effetti
astronomici periodici comuni a tutti
Esempio: Sorgere e tramontare del sole - Le fasi lunari
L’universo dei campioni
•L'Illuminismo e la Rivoluzione Francese introdussero il concetto di riferimenti di
lunghezza e massa comuni, cercati in natura (proprietà della Terra, di
materiali).
•Si teorizzò l’impiego di proprietà egualmente disponibili per tutti gli uomini, in
tutti i tempi e in qualsiasi luogo.
•Si introdusse il sistema decimale per i multipli e i sottomultipli.
•La tecnologia e le conoscenze scientifiche non permisero le realizzazione di
campioni diversi da quelli materiali.
Quali grandezze
Nella prima metà del XX secolo Giorgi introdusse il Sistema Internazionale di
Unità di Misura (SI) adottato dalla 11a Conférence Générale des Poids et
Mesures nel 1960.
Il metro
Il kilogrammo
Il secondo
L’Ampere
Il Kelvin
La mole
La candela
Proprietà
Il Sistema Internazionale delle Unità è:
o Completo: tutte le grandezze fisiche possono essere ricavate dalle grandezze
fondamentali tramite relazioni analitiche;
o Coerente: il prodotto ed il quoziente di due o più unità danno origine ad una
nuova unità di valore unitario, per cui le relazioni analitiche che definiscono le
unità delle grandezze derivate non contengono fattori di proporzionalità diversi
da 1;
o Assoluto: è costituito da un insieme di unità caratterizzate da invariabilità
temporale e spaziale;
o Razionalizzato: grazie all’aggiunta del fattore 4R nell’espressione della
permeabilità del vuoto, le relazioni analitiche che legano le diverse grandezze
contengono il numero irrazionale R solo nel caso di configurazioni circolari,
sferiche o cilindriche.
Regole di scrittura: multipli e sottomultipli
Unità di misura ammesse
Alcune unità di misura non SI sono, per ragioni storiche,
largamente utilizzate in campo scientifico, tecnico, commerciale
e nella vita comune.
Casi particolari
I multipli ed i sottomultipli dell’unità fondamentale kilogrammo si formano
a partire dal simbolo del grammo (g), per cui 10-9 kg sarà scritto come 1
μg e NON come 1 nkg.
Quando si fornisce il risultato di una misurazione, devono essere
riportate soltanto le cifre significative, per cui è opportuno ricorrere ai
multipli e sottomultipli delle unità SI per evitare ambiguità.
Nomi comuni e unità di misura
I nomi delle unità SI, dei multipli e dei sottomultipli sono nomi
comuni, per cui devono essere scritti con l’iniziale minuscola.
o Si scriverà quindi ampere, kelvin, gigahertz etc…
o Anche i simboli delle unità di misura sono scritti con l’iniziale
minuscola, tranne quelli derivanti da nomi propri (ad esempio s
per secondo, m per metro, C per coulomb, J per joule).
o I nomi di tutte le unità SI e dei corrispondenti multipli e
sottomultipli sono invariabili al plurale, eccetto per il metro, il
kilogrammo, il secondo, la candela, la mole, il radiante e lo
steradiante.
o È quindi corretto scrivere: decine di metri, centinaia di volt (e
NON volts), alcuni radianti, pochi kelvin (e NON kelvins).
Gli organismi esecutivi internazionali
Il Bureau International des Poids et Mesures (BIPM)
o E’ l’organo esecutivo della CGPM, ancora a livello politicodiplomatico
o Il Comité International des Poids et Mesures (CIPM)
o E’ un organo tecnico-scientifico, che affronta i problemi a livello
tecnico ed
ha compiti di supervisione nei riguardi del BIPM.
o Ha insediato comitati consultivi con compiti di coordinamento
internazionale nel loro campo specifico:
o Comité Consultatif d'Electricité (CCE): si occupa delle unità
elettriche
o Comité Consultatif de Temps et Fréquence (CCTF): si occupa delle
unità di tempo e frequenza.
La metrologia legale
E’ un settore molto importante per le implicazioni che le misure
possono avere in ambito economico, della salute e della sicurezza.
o Sono strumenti di metrologia legale:
Bilance
Contatori (della benzina, dell'acqua, del gas, dell'elettricità, …)
…
o L’organismo internazionale che disciplina questa materia è
l’Organisation Internationale pour la Métrologie Légale (OIML).
Gli Istituti Metrologici Nazionali
Nei Paesi economicamente e tecnologicamente avanzati gli Istituti
Metrologici Nazionali sono incaricati di mantenere i campioni
nazionali, svolgere i confronti periodici con gli altri campioni di altre
Nazioni, svolgere attività di ricerca e sostegno all'industria in ambito
metrologico.
Si occupano della disseminazione dei campioni, ciò avviene con la
realizzazione di una rete di laboratori dotati di propri campioni di
riferimento, che vengono periodicamente confrontati con i campioni
nazionali.
Garantiscono la riferibilità delle misure, e quindi la loro pratica
applicabilità.
Gli Istituti Metrologici Italiani
L'Istituto di Metrologia Gustavo Colonnetti (IMGC)
E' un organo del CNR con sede a Torino.
Si occupa di unità di massa, lunghezza, temperatura e forze.
L'Istituto Elettrotecnico Nazionale "Galileo Ferraris" (IEN)
Ha sede a Torino.
Si occupa di unità elettriche, fotometriche, di tempo e frequenza.
L'Ente per le Nuove tecnologie, l'Energia e l'Ambiente (ENEA)
Ha sede a Frascati
Si occupa di radiazioni ionizzanti
Il SIT
Il SIT è il Sistema Italiano Taratura.
Ne fanno parte i tre laboratori metrologici.
Autorizza, controlla e coordina una vasta rete di
laboratori pubblici e privati che disseminano le
unità di misura sul territorio e svolgono attività
di taratura degli strumenti utilizzati per le attività
industriali, di analisi, etc.
La costruzione di un pezzo è
una successione ordinata di
operazioni;
Il procedere della costruzione è
verificato effettuando misure e controlli;
La scelta degli strumenti di verifica dipende
dalla precisione di forma e dimensioni del
pezzo in funzione del suo impiego;
•Il disegno indica le informazioni utili alla
costruzione del pezzo secondo le specifiche
previste dal progetto;
•La rappresentazione col disegno, è simbolica,
essenziale ma completa;
L’esempio di ciclo di lavoro che segue è ottenuto partendo
dalle informazioni indicate sul disegno
Sgrossatura del
pezzo:
sgrossatura del cilindro
grezzo; misura e
controllo del diametro
con calibro a corsoio;
Finitura del pezzo:
finitura del cilindro
sgrossato; misura e
controllo del diametro
con micrometro;
Controllo della cilindricità:
scorrimento lungo la
generatrice del pezzo con un
comparatore;
Controllo della circolarità:
rotazione del pezzo con
comparatore fisso;
Rettifica finale: diametro al
valore finale;
Controllo della tolleranza:
con un calibro a forcella
MISURA
Confronto fra una grandezza incognita ed una grandezza
nota ( unità di misura) della stessa specie; gli strumenti
forniscono la misura secondo una data unità di misura.
CONTROLLO
Serve per verificare la corrispondenza geometrica e di
forma del pezzo in lavorazione rispetto al modello o al
disegno dato; il pezzo è confrontato con strumenti di
controllo che possiedono le caratteristiche geometriche e di
forma richieste.
GRANDEZZA
Entità descrivibile in termini quantitativi e
suscettibile di misurazione (velocità, peso, potenza,
forza,etc);
CLASSI DI GRANDEZZE
Due grandezze sono omogenee ed appartengono alla stessa
classe quando sono confrontabili fra loro, permettono di
stabilire se sono uguali o disuguali e di giudicare, se
disuguali, quale sia la maggiore e quale la minore.
MISURAZIONE DELLE
GRANDEZZE
Confronto fra una grandezza incognita ed una grandezza
nota della stessa specie, denominata unità di misura
MISURA DI UNA
GRANDEZZA
Numero intero o decimale che esprime il rapporto fra la grandezza
incognita e la grandezza nota; una grandezza è quindi
completamente individuata : dal numero che esprime il confronto
fra la grandezza incognita e la grandezza nota; dall’unità di misura
stabilita per determinare quel numero
UNITA’ DI MISURA
Data una grandezza A, per effettuarne la misura si
considera il rapporto con una seconda grandezza B,
omogenea con la prima, ottenendo un valore
numerico C che esprime il valore della grandezza A
riferita alla grandezza B; ponendo, per
convenzione, il valore della grandezza B uguale a 1,
essa prende il nome di unità di misura; la scelta
dell’unità di misura è arbitraria e a seconda
dell’unità prescelta varia il valore numerico delle
grandezze considerate
APPROSSIMAZIONE
La misura reale di una grandezza non
coincide mai con la misura rilevata da
uno strumento; l’approssimazione è
la differenza fra la misura reale della
grandezza misurata e la misura
ricavata; per ridurre l’approssimazione,
la grandezza unitaria viene suddivisa in
un certo numero di parti uguali
(sottomultipli) e si prende una di esse
come nuova unità di misura
APPROSSIMAZIONE PER
DIFETTO O PER ECCESSO
Se ad esempio la misura di una quota è
compresa fra 4 e 5 cm come in figura, la
misura di 4 cm approssima per difetto a
meno di 1 cm; la misura di 5 cm
approssima per eccesso a meno di 1cm
(unità di misura)
APPROSSIMAZIONE E CIFRE
SIGNIFICATIVE
Una misura è definita da un numero e da una unità di
misura; se il numero è intero tutte le cifre che lo
compongono sono significative e l’approssimazione della
misura dipende dall’unità di misura adottata; se il numero
ha anche una parte decimale, le cifre dopo la virgola
indicano l’approssimazione della misura ed il più piccolo
sottomultiplo dell’unità di misura
STRUMENTI DI MISURA E CONTROLLO
•Servono a misurare e a controllare
raggiunto nella lavorazione di un pezzo, in
relazione alle prescrizioni del disegno
•Sono diversi a seconda della grandezza da
misurare, del tipo di misurazione o
controllo da effettuare
•Possono essere classificati in: - strumenti
misuratori - strumenti riportatori strumenti di controllo fissi, calibri strumenti comparatori-misuratori
STRUMENTI MISURATORI
Tramite indicatori è possibile leggere i
valore della grandezza misurata. Ad
esempio sono strumenti misuratori:
- riga metrica
- calibro a corsoio
- micrometro per esterni
- goniometro
STRUMENTI RIPORTATORI
Servono a riportare il valore di una grandezza dal pezzo ad uno
strumento di misura ; sono usati quando non è possibile una misura
diretta del pezzo.
STRUMENTI DI CONTROLLO FISSI, CALIBRI
Sono strumenti campione coi quali vengono
controllati per confronto i pezzi;verificano se forma e
dimensioni del pezzo rientrano nelle tolleranze
stabilite dal disegno.
STRUMENTI COMPARATORI MISURATORI
Servono ad eseguire controlli per confronto con pezzi
campione e per verificare se forma e dimensioni di un
pezzo rientrano nelle tolleranze stabilite dal disegno.
Questi strumenti precisano il valore della differenza tra
una quota campione e la quota in esame.
CARATTERISTICHE DEGLI STRUMENTI
PRECISIONE
E’ la massima differenza tra il valore della misura fornita dallo
strumento e il valore reale della grandezza misurata. L’indicazione di
precisione ± 0,1 mm, significa che il valore della misura fornito dallo
strumento non può discostarsi dal valore effettivo della grandezza
oltre quell’intervallo
SENSIBILITA’
E’ la variazione dell’indicatore di misura dello strumento,
in rapporto alla variazione della grandezza da misurare.
A parità di variazione della grandezza da misurare,
all’aumentare della sensibilità dello strumento aumenta
la variazione dell’indicatore di misura
CARATTERISTICHE DEGLI STRUMENTI
PORTATA
E’ il valore della massima grandezza che lo strumento può
misurare. Prima di eseguire una misura è necessario verificare
che la portata dello strumento sia maggiore della grandezza da
misurare.
CAMPO DI MISURA
E’ la differenza fra la misura massima e la misura minima che
lo strumento può rilevare.
APPROSSIMAZIONE
E’ la più piccola frazione di una grandezza, che è
possibile misurare con un dato strumento. Per esempio
una riga metrica suddivisa in millimetri, ha una
approssimazione di 1 mm.
ERRORI DI MISURA
UNA MISURA E’ CORRETTA E PUO’ CONSIDERARSI ACCETTABILE,
QUANDO E’ NOTA L’ENTITA’ DELL’ERRORE O DELL’INCERTEZZA DELLA
MISURA STESSA
ERRORI DOVUTI ALLO STRUMENTO
ERRORI DOVUTI ALL’OPERATORE
ERRORI DOVUTI ALL’AMBIENTE
ERRORI DOVUTI ALLO STRUMENTO
Dipendono da difetti di costruzione o dal logoramento: Si
manifestano ogni volta che si impiega quel dato strumento
Errori di divisione : distanza fra le divisioni delle scale graduate;
Errori dovuti alla scarsa fedeltà : discordanza dei valori ottenuti
eseguendo più volte la stessa misura con lo stesso strumento;
Errori dovuti all’usura : logorio delle superfici di misura o di parti
fondamentali dello strumento;
Errori dovuti a scarsa rigidezza : deformazioni dovute alla pressione
di contatto tra lo strumento e il pezzo che influenzano il valore della lettura
ERRORI DOVUTI ALL’OPERATORE
Dipendono dall’abilità che l’operatore impiega nell’eseguire l’operazione;
tendono a diminuire con l’acquisto di esperienza e sensibilità
Errori dipendenti dalla mancata taratura o
azzeramento dello strumento;
Errori dovuti alla scelta dello strumento di misura;
Errori di posizionamento e di manovra;
Errori di parallasse
ERRORI DOVUTI ALL’AMBIENTE
Dipendono dalla variazione delle condizioni ambientali; si possono ridurre
controllando e mantenendo costanti le condizioni dell’ambiente.
Errori dovuti alla temperatura;
Errori dovuti all’umidità;
Errori dovuti all’illuminazione;
Errori dovuti alla scarsa pulizia dello strumento e del
pezzo;
Errori dovuti alle vibrazioni