Metrologia: Principi, Metodi e Sistemi di Misura

• La metrologia è la scienza della misurazione delle grandezze fisiche.
• Studia i principi, i metodi e gli strumenti necessari per effettuare le misurazioni.
• Stabilisce i sistemi di misura e le relative unità.

Principi di Misura

• Può essere un principio fisico, chimico, biologico, ecc.
• Il principio fisico della dilatazione di un corpo con la temperatura è alla base della misurazione della temperatura tramite un termometro a mercurio.

Metodo di Misura

• E' la sequenza logica delle operazioni eseguite per effettuare una misurazione.

Tipi di Misura

• Misura diretta: l'operatore legge direttamente il valore sullo strumento nell'unità corrispondente (es: lunghezza con metro, tempo con cronometro, peso con bilancia).
• Misura indiretta: si effettua con uno strumento che permette una lettura immediata solo attraverso operazioni successive di confronto (es: lunghezza con compasso).

Sistemi di Misura

• Sono insiemi di strumenti e apparecchiature utilizzati per uno specifico compito di misurazione.

Unità di Misura

• Insieme coerente di unità utilizzate per definire le grandezze fisiche.

Grandezze Fondamentali e Unità di Misura

• Lunghezza: metro (m), distanza percorsa dalla luce nel vuoto in 1/299.792.458 di secondo.
• Massa: chilogrammo (kg), massa del prototipo internazionale a Sèvres.
• Intervallo di tempo: secondo (s), 9.192.631.770 periodi della radiazione del cesio-133.
• Intensità di corrente elettrica: ampere (A), corrente che, in due conduttori paralleli a 1 m di distanza, produce una forza di 2×10⁻⁷ N per metro.
• Temperatura: kelvin (K), frazione 1/273,16 della temperatura termodinamica del punto triplo dell'acqua.
• Quantità di sostanza: mole (mol), quantità che contiene tanti elementi quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio-12.
• Intensità luminosa: candela (cd), intensità di una sorgente che emette radiazione monocromatica a 540×10¹² Hz con intensità energetica di 1/683 W/sr.
• Ogni misurazione deve essere espressa con un numero (l'entità) e una unità di misura (il termine di paragone).

Scelta dello Strumento

• Va scelto uno strumento appropriato in base alla precisione richiesta per la misurazione.
• Esempi: calibro per il diametro di un perno, metro per l'altezza di un tavolo, contachilometri per la distanza tra Torino e Napoli.

Errori nelle Misurazioni

• Tutte le misurazioni sono soggette a errori, che possono essere ridotti ma non eliminati.
• L'incertezza di misura è la differenza tra l'indicazione dello strumento e la dimensione reale.
• Il valore medio di misurazioni ripetute è considerato più affidabile.

Tipi di Errori

• Errori grossolani: dovuti a imperizia o strumenti inefficienti, evitabili con formazione e manutenzione.
• Errori sistematici: ripetitivi, causati da taratura errata o metodo errato, correggibili se conosciuti.
• Errori di insensibilità: dipendono dai limiti degli strumenti e dell'operatore, non sempre correggibili.
• Errori accidentali: cause non prevedibili, riducibili ripetendo le misurazioni e scartando valori anomali.

Errori e Rapporti

• Errore assoluto (Ea): differenza tra misura (M) e valore vero (G), cioè Ea = M - G.
• Errore assoluto medio (Eam): differenza tra il valore medio delle letture e il valore vero.
• Errore relativo (Er): rapporto tra errore assoluto ed il valore vero (G), cioè Er = Ea / G.
• Errore relativo percentuale (Er%): errore relativo moltiplicato per 100, cioè Er% = Er × 100.

Cause di Errore

• Strumento: difetti di costruzione o usura, riducibili con accuratezza nella costruzione, materiali speciali e tarature periodiche.
• Ambiente: variazioni di temperatura che causano dilatazioni; la temperatura ideale è 20°C ± 1°C.
• Operatore: limitazioni fisiologiche e insufficiente capacità, come nel caso dell'errore di parallasse.

Errore di Parallasse

• Errore che si verifica quando l'indice si sposta su un piano distinto dalla scala, leggendo da una direzione non perpendicolare.
• Soluzioni: ridurre la distanza tra indice e scala, utilizzare indici a due punte, stampigliare la scala su una superficie a specchio.

Strumenti Digitali

• Minimizzano gli errori soggettivi grazie alla lettura numerica diretta.

Strumenti Campione

• Sono utilizzati per controllare gli strumenti di misura.
• Nel settore tecnico-industriale, si usano per lunghezze, angoli e parallelismo.
• Controlli effettuati con blocchetti di riscontro, blocchetti piramidali e dischi di vetro.

Blocchetti di Riscontro Piano Paralleli

• Per controllare strumenti di misura delle lunghezze.
• Hanno forma di parallelepipedo con facce piane e parallele che costituiscono la misura nominale.
• La distanza fra le facce è specificata e varia da 0,5 a 100 mm.
• Le dimensioni sono riferite a 20°C e 101,325 kPa.
• Realizzati in materiali indeformabili e resistenti, con rugosità (Ra) di 0,025.
• Possono essere in acciaio al carbonio, acciaio legato, carburi metallici sinterizzati o quarzo.
• Forniti in scatole con diverse opzioni di combinazione per formare diverse dimensioni.

Utilizzo dei Blocchetti

• Usare in ambienti senza polvere.
• Pulire con panno di lino o pelle di daino.
• Evitare di toccare le superfici pulite con le mani.
• Non applicare forza eccessiva nel sovrapporli (massimo quattro).
• Non lasciare uniti per troppo tempo.
• Riporre oliati nella cassetta dopo l'uso.

Blocchetti Piramidali (Piani Conici)

• Utilizzati per controllare gli strumenti che misurano gli angoli.
• Simili ai blocchetti piano paralleli, ma con facce inclinate con un determinato angolo espresso in gradi sessagesimali.

Dischi di Vetro

• Utilizzati per il controllo della planarità delle superfici.
• Di solito hanno un diametro di 50 o 75 mm e spessori di 15 o 20 mm.
• Sono costruiti in quarzo trasparente.
• Consentono la rilevazione di errori di parallelismo e perpendicolarità e la taratura degli strumenti di misura.
• Il funzionamento si basa sulle frange di interferenza che si generano sulla superficie del disco a contatto con una superficie non piana.

Strumenti di Misura di Lunghezza

• Dispositivi per misurare le dimensioni tramite lettura di un indice su scala graduata (direttamente o indirettamente).
• Le principali caratteristiche sono definite nella tabella UNI 4546.
• Portata: valore massimo misurabile.
• Sensibilità assoluta: rapporto tra incremento di escursione dell'indice e l'incremento della grandezza.
• Precisione: massima differenza algebrica tra valore indicato e valore reale.
• Prontezza: tempo per raggiungere la posizione di misura.
• Fedeltà: attitudine a fornire misure simili a brevi intervalli.
• Stabilità: attitudine a fornire misure simili a lunghi intervalli.
• Approssimazione: la più piccola frazione di grandezza misurabile.

Metro e Righe Millimetrate

• Semplici strumenti per misure di lunghezza con approssimazione al millimetro.
• Asta rigida (righello), asta articolata (metro per mobilieri), lamina di acciaio flessibile (metro d'officina), fettuccia di tela plastificata (doppio metro e decametro).
• Le righe hanno lunghezze variabili da 20 a 100 cm.
• La lettura è diretta (riferimento allo zero) o per differenza.
• La lettura è approssimata (per difetto o per eccesso).

Nonio

• Strumento per facilitare la lettura e valutare con precisione la frazione di spazio tra le linee di una scala lineare o angolare.
• Scala ausiliaria che suddivide in n parti uguali la lunghezza di (n - 1) divisioni della scala fissa.
• Nonio decimale: n = 10, lettura approssimata al decimo di millimetro.
• Nonio decimale doppio: suddivisione in 10 parti di una lunghezza della scala fissa di 19 mm.
• Nonio ventesimale: più usato, n = 20, permette l'identificazione del ventesimo di millimetro (0,05 mm).
• Nonio ventesimale doppio: suddivisione in 20 parti di una lunghezza della scala fissa pari a 39 mm.
• Nonio cinquantesimale: n = 50 per ottenere un'approssimazione pari a 0,02 mm.
• La misura è data da una parte intera sulla scala fissa e da una parte frazionaria dipendente dalla lineetta del nonio che coincide con la scala fissa.

Calibro a Corsoio (a Nonio)

• Strumento usato nelle officine per misure esterne, interne e di profondità.

Micrometro a Vite

• Strumento per misure dirette, esterne, interne e di profondità con approssimazione fino a 0,01 mm.
• Il principio di funzionamento è per ogni giro completo del tamburo, la vite avanza di una lunghezza pari al suo passo p.
• Se la vite ha un passo p = 0,5 mm e una scala graduata con 50 lineette, ogni lineetta corrisponderà a un avanzamento A dell'asta mobile di A = p/n = 0,5/50 =0,01 mm.
• Lettura in due tempi: parte intera sulla scala graduata orizzontale, parte frazionaria sulla scala del tamburo in corrispondenza della linea di riferimento.
• Micrometri con campi di misura da 0 a 25 mm, da 25 a 50 mm, ecc.

Comparatore

• Strumento per il controllo degli errori di forma delle superfici (parallelismo, planarità, conicità, circolarità, eccentricità e perpendicolarità).
• Utilizzabile per misure derivanti dal confronto tra le dimensioni di un pezzo misurato e quelle di un pezzo campione.
• Parti fondamentali: tastatore, asta scorrevole, scatola con meccanismo di amplificazione, quadrante (grande e piccolo), indicatori mobili, nottolino zigrinato per l'azzeramento e pomello per il sollevamento del tastatore.

Comparatore Universale (Tastatore)

• Simile al comparatore normale, ma con tastatore costituito da una leva orientabile secondo un angolo qualsiasi rispetto all'asse.

Goniometro Universale a Nonio

• Strumento per misure di angoli con approssimazione inferiore al grado.
• Parti principali: squadra fissa (solidale a un disco graduato da 0° a 90°), disco rotante con scala del nonio angolare, asta solidale e scorrevole, pomelli per bloccaggio, lente d'ingrandimento.