VOLUME O MASSA?
Riferibilità metrologica nella taratura dei contatori
d’acqua
Giorgio Cignolo
Istituto di Metrologia “G. Colonnetti” (IMGC)
del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)
Torino
Contributo al Convegno “Acqua Chiara”
CCIAA di Asti, 17-18 Ottobre 2005
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Che cosa è la
RIFERIBILITA’ (Traceability)?
E’ la proprietà di una misura (non di un
operatore, né di una azienda o
laboratorio) per la quale è possibile
risalire da essa ai campioni primari
nazionali o internazionali delle unità di
misura del Sistema Internazionale delle
Unità (SI) per mezzo di una catena
ininterrotta di tarature e confronti eseguiti
con incertezza nota.
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IL CASO DEI CONTATORI D’ACQUA
• I contatori d’acqua misurano dei VOLUMI;
• Perciò, la riferibilità è (e deve essere) condotta al
campione di lunghezza, il metro, nella fattispecie alla
terza potenza del metro;
• Tuttavia nella maggioranza degli impianti di taratura la
catena di riferibilità passa attraverso una misura di
massa, con l’ausilio di un materiale di riferimento,
l’acqua, del quale è nota o si determina la densità (o
massa volumica) ad una certa temperatura;
• In sostanza: in almeno uno degli anelli della cosiddetta
catena di riferibilità di tali impianti si perviene a
determinare un volume (di liquido oppure di serbatoio
campione) come rapporto fra una misura di massa di
acqua e la densità misurata o calcolata di tale liquido
alla temperatura di lavoro
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RIFERIBILITA’ DIRETTA AL METRO
• Nel settore contatoristico oggi viene realizzata unicamente tramite
pistoni motorizzati (molto più raramente mossi invece dalla
pressione dell’acqua), che sono gli unici organi volumetrici ben
misurabili dimensionalmente;
• Attualmente si usano campioni a pistone-cilindro tradizionali (cioè
con accoppiamento maschio-femmina di precisione);
• Possibile alternativa: i campioni a pistone tuffante (nei quali solo
il maschio deve essere lavorato e misurato con precisione);
• Nota: non di rado il campione non viene caratterizzato
dimensionalmente, ma si misura con altri metodi il volume d’acqua
erogato con una corsa di lunghezza nota, perciò si ricade in una
riferibilità indiretta al metro
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RIFERIBILITA’ AL METRO
TRAMITE IL KILOGRAMMO/1
• Come già detto, nell’anello finale (od in uno precedente)
della catena di riferibilità si misura una massa d’acqua di
cui viene calcolata o misurata la densità: tramite la
densità si “passa” poi al volume;
• La catena di riferibilità diventa complessa: oltre alle
misure di temperatura dell’acqua (indispensabili anche
nel caso dei pistoni) servono bilance, pesiere e misure
di massa;
• Ma per poter correggere l’effetto della spinta aerostatica
nelle pesate di precisione è indispensabile misurare la
pressione atmosferica, la temperatura e (al limite) anche
l’umidità dell’aria;
• La correzione per la spinta aerostatica non è
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trascurabile;
nella pesata dell’acqua essa ammonta in
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RIFERIBILITA’ AL METRO
TRAMITE IL KILOGRAMMO/2
C’è poi il problema della DENSITA’ DELL’ACQUA:
Ovunque sia possibile, conviene usare acqua pura (ad
esempio demineralizzata, come nell’impianto della
CCIAA di Asti), la densità della quale è nota con grande
precisione, se si misura la temperatura entro almeno
0,1 °C;
Altrimenti occorre aggiungere strumenti per la misura di
densità: densimetri di vetro, di uso discontinuo e
tedioso, oppure strumenti automatici, il cui acquisto e
mantenimento
in taratura è costoso.
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DUE TIPOLOGIE DI IMPIANTO
IMPLEMENTANO LA RIFERIBILITA’
INDIRETTA AL METRO:
• I tradizionali impianti che usano serbatoi volumetrici,
alla origine tarati mediante pesata del contenuto
d’acqua, oppure ben più spesso mediante travaso da
serbatoi campione, il cui capostipite è però sempre
tarato per pesata d’acqua (infatti le irregolarità
geometriche delle costruzioni saldate non consentono
una taratura accurata per via dimensionale);
• I ben più moderni impianti che eseguono ogni misura
mediante pesata di uno o più serbatoi non tarati , in
cui è stata raccolta l’acqua transitata nei contatori da
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tarare.
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IMPIANTI CON SERBATOI
VOLUMETRICI TARATI
• Sono semplici ed economici;
• L’accuratezza è mediocre, dipendendo da una buona
taratura, pulizia, lettura del livello, svuotamento e
successivo sgocciolamento fatti in maniera corretta e
ripetibile;
• Di conseguenza occorre misurare volumi piuttosto
grandi, con tempi di prova prolungati;
• Essendo i serbatoi a “pelo libero”, occorre guardarsi da
perdite per spruzzi ed evaporazione eccessiva, specie
nelle prove alla Qmin ;
• Non si prestano all’automazione, un fattore oggi
decisivo.
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IMPIANTI A PESATA
• Sono potenzialmente assai più precisi dei precedenti;
• Come i precedenti possono essere alimentati in modo
“naturale”, cioè sotto battente idraulico, da autoclave o
(meno bene) con pompe centrifughe;
• Richiedono molta strumentazione, campioni ed
accessori, con relativi non indifferenti problemi
“culturali”, di costo e di gestione in qualità;
• Se basati sulla deviazione di flusso (v. oltre) sono anche
di progettazione meccanica piuttosto impegnativa;
• Si prestano benissimo all’automazione;
• Occorre anche guardarsi da spruzzi (specie nei deviatori
di flusso) ed evaporazione.
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IMPIANTI A PISTONE
• Possono funzionare solo se costruiti con grande precisione
meccanica e se mantenuti in buono stato, quindi possono produrre
ottime misure;
• Sono costruzioni piuttosto costose e tendenzialmente delicate, che
si prestano bene all’automazione;
• I pistoni-cilindro (a differenza dei pistoni tuffanti) possono lavorare
in circuito chiuso, eventualmente sotto pressione;
• In entrambi i tipi si possono eliminare completamente le perdite per
evaporazione fra campione e contatore;
• Grazie a tali fattori positivi, i volumi di prova possono essere ridotti,
quindi è possibile una buona produttività;
• Occorre però guardarsi da fughe e bolle d’aria nella camera di
misura;
• Il maggiore problema segnalato è l’influenza sui contatori delle
particolari modalità di alimentazione: flusso imposto e forzato dal
motore (con eventuali oscillazioni periodiche), e/o fenomeni di
discontinuo (stick and slip) specie se l’agente è la
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pressione dell’acqua.
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LE DIVERSE MODALITA’ DI PROVA
Sono possibili ed usate ben tre diverse modalità di prova, che,
agendo in modo diverso sul contatore, possono dare luogo a
misure discordanti:
• Primo tipo: con flusso nullo sia ad inizio sia a fine prova (standing
start & stop). E’ il metodo tradizionalmente usato negli impianti con
serbatoi volumetrici. La durata della prova deve essere sufficiente a
rendere trascurabile l’influenza sul contatore dei transitori di
avviamento ed arresto.
• Secondo tipo: con flusso a regime prima, durante e dopo tutta la
prova, senza deviazione di flusso (flying start and stop). Esempio:
avviamento e messa a regime di un pistone, poi lettura
contemporanea del contatore e della posizione del pistone ad inizio e
fine prova, senza arresto del pistone e del flusso. Richiede ovviamente
misure dinamiche in tempo reale, potenzialmente meno accurate di
quelle di cui sotto:
• Terzo tipo: con flusso a regime come sopra, ma con l’acqua che ad
inizio prova viene deviata da un apposito deviatore di flusso in modo
il più possibile istantaneo verso l’organo di misura (di norma un
serbatoio di pesata), e poi deviata nuovamente verso uno scarico o
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ricircolo
a fine prova (il tutto con particolari accorgimenti per evitare il
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colpo d’ariete). Consente accurate misure di massa in condizioni
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CONCLUSIONI/1
• La riferibilità ai campioni nazionali delle unità di misura
SI è una proprietà essenziale per tutte le misure;
• Nel settore dei contatori d’acqua si sono sviluppati nuovi
metodi ed impianti di taratura, automatizzabili, più
produttivi e potenzialmente più precisi del tradizionale
0,2%;
• La riferibilità delle misure prodotte con tali impianti può
seguire due filoni molto diversi: esclusivamente
tramite misure dimensionali (a temperatura nota) di
organi di forma estremamente regolare, gli unici di cui si
può calcolare adeguatamente il volume (pistoni-cilindro
e pistoni tuffanti), oppure senza alcuna misura
dimensionale in loco, arrivando a riferirsi al campione
dell’unità di lunghezza unicamente per il tramite della
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conoscenza
della densità dell’acqua alle temperature
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CONCLUSIONI/2
• Sono state brevemente discusse le caratteristiche dei tre principali
tipi di impianti campione, facenti uso rispettivamente di serbatoi
tarati, di pistoni e di pesata dell’acqua;
• Sono state evidenziate le tre modalità di prova che bisogna
considerare per poter fare una oculata scelta progettuale, in quanto
sono concettualmente differenti e nella pratica possono dare
risultati sensibilmente diversi;
• Se mi è lecito esprimere una preferenza, nel caso dei liquidi essa
va agli impianti con flusso d’acqua sempre a régime e deviazione
rapida del flusso entro il serbatoio di pesata per la durata della
prova, cui segue una accurata pesata in condizioni statiche;
• Nel complesso ed in conclusione, per rispondere alle odierne
esigenze della qualità delle misure tutti i metodi ed i tipi di impianto
campione che li implementano richiedono un investimento di risorse
(e soprattutto di lavoro qualificato da parte di personale esperto)
ben maggiore che in passato.
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