Valutazione discussione:
  • 1 voto(i) - 5 media
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
Caratteristiche metrologiche degli strumenti di misura
#1
Spulciando vecchi appunti, ho trovato questo argomento che spero sia utile per gli utenti del forum. Al solito raccomando l’analisi critica.

Questo argomento in sostanza riguarda due aspetti che risultano essere fondamentali per la strumentazione di misura e cioè:

La caratterizzazione di uno strumento
Il problema della taratura.

Per il primo intendo come si caratterizza una strumento ovvero ciò che forse è più noto come caratteristica uscita/ingresso. Il secondo cioè appunto il problema della taratura, è fondamentale perché quando parliamo di misura questa è tale se è riferita a dei campioni e quindi il procedimento di taratura è quel processo che ci consente di affermare che lo strumento tarato è in grado di dare misure riferibili.
Concentriamoci allora sul primo punto ovvero esplodiamo il concetto di caratterizzazione di uno strumento.

Caratteristiche metrologiche degli strumenti relazione uscita/ingresso

Immaginiamo di poter schematizzare lo strumento di misura come una scatola (black box) ovviamente dentro la scatola saranno presenti tutti gli oggetti necessari affinché lo strumento possa produrre una lettura (Allegato1); ciò che non conosciamo è il misurando ovvero appunto la grandezza che vogliamo misurare, nello schema è la nostra incognita; ciò che otteniamo dallo strumento è la lettura che nello schema allegato è la parte nota.
Quello che ci serve, in queste condizioni, è un qualcosa che ci permetta di passare da ciò che leggiamo a ciò che stiamo misurando, cioè in altre parole ci serve una relazione che colleghi il numero letto sullo strumento (uscita) al nostro misurando (ingresso). Trovare questo legame non è affatto semplice, visto che lo strumento è un qualcosa che risente di molte variabili, note come grandezze di influenza, tali che appunto influenzano, cioè condizionano il funzionamento dello strumento e dunque condizionano il legame uscita/ingresso. Ciò che vorremmo è che questa relazione sia una funzione che associa un valore del misurando ad un valore della misura (lettura), ma in realtà non è così, piuttosto collega una lettura (valore in uscita) ad un insieme di valori del misurando (grandezza in ingresso) e tutto ciò lo strumento lo riesce a fare solo per certi campi delle grandezze di influenza. Quindi ciò che il costruttore dello strumento ci fornisce con la vendita dello stesso è una relazione Misurando/Lettura che ha validità solo in campi predefiniti delle grandezze di influenza, cioè ad esempio per un certo intervallo prestabilito di temperatura, umidità, pressione etc., per un certo range di unità (per esempio 10mV- 100mV) e sotto opportune condizioni specificate (schermatura di strumento e DUT= dispositivo sotto test, o altro).
In altre parole, in prima analisi ciò di cui necessitiamo è quella che è nota come Curva di Taratura che ci consente di relazionare la lettura, uscita del nostro strumento, con il misurando, ingresso del nostro strumento, tale che, per ciascun valore letto, vorremmo ci desse il corrispondente valore del misurando. (Vedi Allegato2 Curva di taratura)
Ma guardando la curva di taratura in l’allegato, ci rendiamo conto subito che manca un parametro fondamentale, l’incertezza!
È necessario, quindi, dare ulteriori informazioni a partire sia dalla curva di taratura che dalla funzione, ovvero è necessario per lo meno fornire, nell’ intorno della prima caratteristica (linea blu), una coppia di curve (in giallo) che ci permettono di associare ad un valore di lettura L0 una fascia di valori nelle misure 2δM, dove δM rappresenta un parametro che è noto come incertezza strumentale (vedi VIM).
Tutto ciò ci permette di passare dalla curva di taratura (informazione incompleta) al diagramma di taratura (Allegato 3 Diagramma di taratura).
Facciamo una parentesi e torniamo un’ attimo alla curva di taratura e con riferimento all’ Allegato 4 (Parametri caratteristici di uno strumento), questa ci permette di definire alcuni parametri importanti che ci consentono di qualificare lo strumento di misura quali:

1. Il Campo di misura: che rappresenta l’estensione di grandezze che lo strumento può accettare in ingresso (del misurando).
2. La Portata: che rappresenta l’estremo superiore in valore assoluto di misura.
3. La Pendenza della curva di taratura: che è definita come rapporto tra unità di misura e unità di lettura.

La pendenza assume un importanza notevole, perché? Sia i costruttori che gli utenti dello strumento desiderano avere una pendenza costante, cioè una curva di taratura che degenera in una retta, questo perché la retta può essere per sua natura caratterizzata mediante un parametro, quello che è noto come costante di taratura K e da un secondo parametro, la deviazione dalla linearità δnl, che ci fa capire quanto la caratteristica dello strumento approssima bene la retta. In queste condizioni possiamo dire che lo strumento è tanto più lineare quanto la non linearità è piccola.(Vedi Allegato Esempio di non linearità)
Ciò detto, la curva di taratura diventerà una retta e la misura si ottiene moltiplicando la lettura L per la costante di taratura K (M=L*K). La non linearità indicata in figura con δnl, ci fa capire quanto il nostro strumento è accurato.
Vorrei precisare che la relazione uscita/ingresso nella realtà è utilizzata di rado, poiché dal punto di vista pratico è scomodo passare da un grafico alla misura di volta in volta; molto più comodo è l’utilizzo di una funzione analitica, cioè utilizzare l’espressione matematica della relazione uscita/ingresso, nota come funzione di taratura, che ci permette di risalire matematicamente, dato un valore di lettura, al valore del misurando.
A volte capita di trovare la relazione uscita/ingresso sotto forma di tabella, nota come tabella di taratura, ma ormai è desueto negli odierni strumenti.

Tornando al diagramma di taratura, questo ha validità per un certo intervallo di grandezze di influenza, poiché come detto in precedenza, queste sono in grado di far variare la funzione di taratura e di conseguenza varia il diagramma e l’incertezza. Le condizioni di validità del diagramma di taratura sono espresse grazie a campi di variazione per le grandezze di influenza, parliamo di campi perché ad essi è associata una certa incertezza strumentale che nel diagramma corrisponde ad una certa larghezza della fascia. Tanto per intenderci se il costruttore specifica un certo valore di incertezza strumentale per un determinato range di temperature, se io utilizzatore, uso lo strumento al di là del range di temperature fornite, ciò che accade è che io non conosco più l’incertezza strumentale, ma ancora peggio posso rompere lo strumento. È chiaro tra l’altro che posso utilizzare lo strumento al di fuori del range delle grandezze di influenza indicato dal costruttore, nessuno me lo vieta, ma al di fuori del range non è possibile assegnare le misure perché il costruttore non si assume la responsabilità di dare una incertezza per lo strumento.

Ricapitolando quanto appena detto:
Andando al di fuori degli intervalli delle grandezze di influenza specificate dal costruttore ho due inconvenienti:
Il primo è relativo al fatto che non avendo l’incertezza del costruttore non so che misura assegnare alla lettura.
Il secondo è che rischio di danneggiare lo strumento e quindi anche se rientro nei campi ammessi dal costruttore lo strumento è incapace di dare le misure corrette.

Il problema della taratura

In questa sezione parliamo del secondo punto menzionato all’ inizio, cioè appunto il problema della taratura. Possiamo innanzi tutto dire che esistono tre espressioni diverse che indicano diverse operazioni ma nella pratica spesso sono confuse e cioè:

1. Taratura
2. Controllo di taratura
3. Messa a punto

Taratura che cos’ è?

Con questo termine si intende l’insieme di operazioni, solitamente svolte dal costruttore dello strumento, per assegnare la funzione di taratura allo strumento prodotto. In altre parole è necessario saper dire, per un certo campo di grandezze di influenza, quel’è l’intervallo di misura che corrisponde ad un certo valore di lettura.
Ovviamente ciò non è per niente semplice perché è necessario avere conoscenze pregresse, come ad esempio come è fatto lo strumento, come interagiscono le grandezze di influenza su di esso, cosa succede quando lo strumento invecchia. Queste informazioni le conosce solo il costruttore e dunque è lui che può fornire una taratura adeguata e lo fa una volta sola, cioè quando produce lo strumento, lo caratterizza e poi lo mette in vendita.
Ciò che sovente sentiamo chiamare taratura e che normalmente si fa è in verità un controllo di taratura, cioè l’insieme delle operazioni che permettono di controllare se la funzione di taratura di uno strumento è ancora valida, che si traduce in un controllo oggettivo dello strumento per vedere se quest’ultimo sta ancora facendo quello per cui era stato progettato.
Se scopriamo che lo strumento non “fa” ciò per cui era stato progettato come ci comportiamo?
Qui entra in gioco la messa a punto, cioè l’insieme delle operazioni agite sullo strumento che ci permettono di far si che questo segua la funzione di taratura nominale.

Il controllo di taratura che cos’è?

Sostanzialmente il controllo di taratura è ciò che l’utente richiede quando è scaduto l’intervallo di taratura per sapere se lo strumento sta ancora funzionando correttamente.
Questa operazione consiste nel applicare misurandi noti (Mi) all’ingresso dello strumento sottoposto al controllo e di verificare che ogni lettura sia compresa nella propria fascia di tolleranza δLi.

Esiti del controllo di taratura

Il controllo di taratura è caratterizzato da due possibili esiti:

Positivo: si ha esito positivo quando tutte le letture sono comprese nelle fasce di tolleranza. In questo caso si dichiara che lo strumento risulta essere conforme alle proprie specifiche.
Negativo: si ha esito negativo quando almeno una lettura (ne basta una sola) non è compresa nella fascia di tolleranza; quindi se accade che una lettura risulta essere fuori dalla fascia di tolleranza lo strumento non è conforme alle proprie specifiche.

Quando abbiamo parlato del controllo di taratura abbiamo detto che applichiamo all’ ingresso dello strumento misurandi noti, ovviamente questo non è noto alla perfezione, nel senso che di certo non ha un incertezza nulla e questo ha un effetto che può inficiare il controllo di taratura, nel senso che è possibile che lo strumento risponda bene ma proprio a causa dell’incertezza del misurando non ce ne accorgiamo.
Approfondiamo meglio la questione che riguarda i risultati del controllo di taratura, in particolare cosa si intende se non sono corretti.

Si possono verificare due situazioni, la prima che comunemente viene chiamata Falso negativo, cioè uno strumento che era conforme alle proprie specifiche, non supera il controllo di taratura a causa del nostro misurando posto in ingresso, questo perché lo strumento, trovandosi magari al bordo della fascia dell’incertezza del misurando in ingresso, da in uscita un valore che risulta essere non conforme, questo dunque comporta una falsa lettura e un controllo negativo. Va da se che può avvenire l’esatto contrario e cioè uno strumento che si trova al bordo del campo di incertezza, supera il controllo di taratura pur non essendo conforme perché nella realtà era fuori dal campo di incertezza quest’ultimo è il caso di falso positivo.
Le situazioni appena descritte sono molto importanti perché hanno un costo diverso.
Il falso negativo ha un costo inferiore al falso positivo e come situazione è meno drammatica, questo perché abbiamo creduto, in fase di controllo, che lo strumento non fosse conforme e invece lo era, ciò che posso fare è la messa a punto in modo da renderlo conforme. Per quanto riguarda il falso positivo, ovviamente questo non solo è più pericoloso ma anche più costoso, perché in fase di controllo ho avuto dei risultati corretti quando invece non lo sono e questo comporta l’uso improprio dello strumento stesso che continua ad essere adoperato dando vita a ad operazioni sbagliate.
Quindi falso positivo e falso negativo presentano una probabilità legata all’ incertezza dei campioni che vengono impiegati nella fase di controllo.
Ma se uso campioni più precisi, la probabilità di finire sul bordo dell’intervallo accettabile è molto piccola.

Lo strumento che ci permette di identificare questi eventi è il TUR (test uncertaintry ratio) cioè il rapporto tra le incertezza dello strumento e del campione.

turi=δLi/δMi

Per capire il significato di questo parametro diamogli il valore 4, quindi TURi=4, questo significa che il campione possiede una incertezza 4 volte più piccola dell’incertezza dello strumento che è quella che sto verificando. Va da se che se ho TUR più alti la probabilità che si verifichi il falso positivo si abbassa.
Non dimentichiamoci che il TUR ha un costo, infatti potremmo pensare di lavorare con TUR=10 è ma il costo?
Tra l’altro anche i campioni precisi hanno un costo e più lo sono più costano. Quando facciamo il controllo di taratura adoperiamo campioni che non sono troppo costosi, precisi ma ragionevolmente costosi.

Il controllo di taratura è una operazione che, tra virgolette, posso anche farmi in casa, se ad esempio ho a disposizione uno strumento campione che è più accurato di quello che devo controllare e comunque riferibile, posso farmi il controllo, ma lo strumento campione deve garantirmi un TUR=4 per fare le cose bene e non sempre questa situazione è possibile. Ecco che quindi devo inviare il mio strumento ad un ente terzo, ovverosia ad un centro LAT.

Messa a punto che cos’è?

Come si fa la messa a punto?
Da un punto di vista concettuale quello che bisogna fare è simile al controllo di taratura, cioè si applicano all’ ingresso dello strumento i misurandi noti e in base a ciò che restituisce lo strumento in uscita si agisce sui parametri di aggiustaggio (adjustement) affinché lo strumento indichi le letture pari ai misurandi applicati.
Gli strumenti di regolazione possono avere due aspetti diversi, in quelli “antichi” questi erano costituiti da viti che agivano su molle, in altri sono presenti componenti regolabili come resistori, tensioni o correnti di riferimento.
Nei strumenti digitali moderni, si agisce sulle costanti di taratura che di solito sono memorizzati su memorie non volatili riscrivibili, e queste sono modificabili grazie a procedure software di messa a punto.
In pratica si applicano in modo automatico calibratori, che sotto controllo di un calcolatore sono in grado di applicare misurandi noti.
L’uscita dello strumento è letta tramite calcolatore, questa viene confrontata con il riferimento e viene alterata la costante interna di taratura attraverso l’elaborazione software di un programma ad hoc.
Quando faccio la messa a punto?
La messa a punto deve essere eseguita in caso di controllo di taratura che si è concluso con esito negativo.
È possibile farla anche in via preventiva in caso di controllo di taratura positivo, così mi riporto al centro della fascia cioè il più vicino possibile alla funzione nominale dello strumento. In ogni caso, effettuando la taratura cambio le caratteristiche dello strumento, quindi dovrò rifare il controllo di taratura.

Ricapitolando, quando in maniera semplificata si dice “mando lo strumento a tarare” nella realtà delle azioni che si effettuano sullo strumento faccio cose distinte:

• Un controllo di taratura che deve essere fatto perché bisogna sapere in che stato è lo strumento, se questo controllo iniziale di taratura non è conforme allora bisogna avvertire il cliente che stava già utilizzando uno strumento non conforme e quindi le misure eseguite non erano corrette.
• La messa a punto, sia che lo strumento era conforme e decido di farla comunque oppure ero obbligato a farlo. Con questa operazione cambio lo strumento e di conseguenza devo rifare il controllo di taratura finale.

Da quest’ultima azione viene fuori quello che è il certificato che viene restituito al cliente insieme allo strumento ed è quello che vale da quel momento in avanti.


Allegati
.pdf   Allegato1bb.pdf (Dimensione: 39.62 KB / Download: 218)
.pdf   Allegato2 Curva di taratura.pdf (Dimensione: 39.74 KB / Download: 196)
.pdf   Allegato3 Diagramma di taratura.pdf (Dimensione: 41.16 KB / Download: 163)
.pdf   Allegato4 Parametri caratteristici di uno strumento.pdf (Dimensione: 70.59 KB / Download: 197)
.pdf   Allegato Esempio di non linearità.pdf (Dimensione: 41.4 KB / Download: 154)
Cita messaggio
#2
Da leggere tutto d'un fiato. Grazie Claudia per il tuo costante supporto di alta qualità.
Cita messaggio
#3
Grazie
Cita messaggio
#4
Metto in rilievo
Cita messaggio
#5
Ho una domanda che riguarda l'applicazione pratica dei concetti qui enunciati.
Poniamo di dover effettuare un controllo di taratura ad uno strumento come una pipetta (o microdosatore): in genere questo strumento è costituito da un pistone che, scorrendo all'interno di un cono dotato di guarnizioni, genera uno spostamento d'aria che aspira una quantità esatta di liquido. La corsa del pistone è impostata dall'utente tramite una ghiera numerata che permette di selezionare il volume desiderato da aspirare (per poi eventualmente dispensare lo stesso liquido).
La mia domanda è:
-E' corretto considerare il volume impostato sulla ghiera come lettura L0?

Normalmente la verifica di taratura di questi strumenti viene effettuata tramite un test gravimetrico: il liquido aspirato viene pesato su di una bilancia analitica.

Domanda:
-Posso considerare il valore rilevato dalla bilancia (dal quale posso ricavare per equivalenza il volume ) come il mio misurando M0?  

Grazie in anticipo per l'aiuto
Cita messaggio
#6
Wink 
Ciao Cla08,

come dice Enrico l'ho letto tutto d'un fiato...bellissimo e grazie per le slide.

non rienso a capire però una cosa...ho provato a cercarlo anche sul VIM,
si dice Curva di Taratura, e si esprime (come si vede nella slide molto chiaramente) ma non riesco a capire il perchè collocarlo proprio su di una curva, e non su di un grafico lineare come altre misurazioni????

Lo guardata una decina di volte....

Si riferisce solo ha una misurazione, o ha tutto i campo di misurazione dello strumento, quindi per esempio a i 5 punti di taratura?
ho devo sviluppare  5 curve???

e qual'è il significato di pendenza della semiretta????

ringrazio in anticipo
Cita messaggio
#7
'Ciao Franky,proverò a rispondere alle tue domande sperando di essere chiara.
Perchè curva di taratura e non retta di taratura? Semplicemente perchè in generale si indica con curva, nel senso che la curva include anche la retta, ma non è detto che esista una corrispondenza lineare tra uscita e misurando. Mi spiego meglio, la curva può essere pensata come un diagramma dell\' andamento quantitativo di una grandezza in funzione di un'altra ( tipo' y='f(x) ) e quindi seguire un andamento quadratico, parabolico etc. Per individuare una curva bastano 5 punti.
Per quanto riguarda il campo di misurazione, questo è un certo range di unità (esempio 10mV-100mV) sotto opportune condizioni specificate e in certi campi predefiniti delle grandezze di influenza, fornite dal costruttore dello strumento. 
La pendenza della curva di taratura è definita come rapporto tra unità di misura e unità di lettura. In alcuni testi questo parametro viene utilizzato per definire la sensibilità. Quest'ultima viene definita (con riferimento a un punto qualsiasi della curva di taratura) come l’inverso della pendenza della curva stessa.
Spero di esserti stata utile.  



Ciao Cla08,

come dice Enrico l'ho letto tutto d'un fiato...bellissimo e grazie per le slide.

non rienso a capire però una cosa...ho provato a cercarlo anche sul VIM,
si dice Curva di Taratura, e si esprime (come si vede nella slide molto chiaramente) ma non riesco a capire il perchè collocarlo proprio su di una curva, e non su di un grafico lineare come altre misurazioni????

Lo guardata una decina di volte....

Si riferisce solo ha una misurazione, o ha tutto i campo di misurazione dello strumento, quindi per esempio a i 5 punti di taratura?
ho devo sviluppare  5 curve???

e qual'è il significato di pendenza della semiretta????

ringrazio in anticipo
[/quote]
Cita messaggio
#8
Ciao cla8,
e complimenti davvero per le capacità esplicative!
hai reso benissimo e in maniera leggibilissima un argomento tecnico anche abbastanza ostico per i neofiti
Grazie!
Cita messaggio
#9
Ti ringrazio per i complimenti granderaccordo81 Smile
Cita messaggio
#10
Complimenti Cla8 !!
per il contenuto e l'esposizione chiara.

Grazie!
Alextar
Cita messaggio


Vai al forum:


Utenti che stanno guardando questa discussione: 1 Ospite(i)