Metrologia, Prodotti, Organizzazione ()

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Protocollo d’intesa USR-INRiM-GMEE
Progetto IN-FORMAZIONE E PRATICA
EDUCATIVA DELLA METROLOGIA
Modulo 2
La metrologia,
i suoi prodotti,
le sue organizzazioni
USR-INRiM-GMEE-CE.SE.DI.
2013-2014: Formazione&Metrologia
Modulo 2, Anita Calcatelli
1
nome, date e luogo della conferenza
Sommario
• Cosa si deve intendere per metrologia
• I principali prodotti
– Il Sistema Internazionale di unità (fonetica,
grammatica, sintassi e semantica; le definizioni e
la loro struttura)
– Gli organismi (la Convenzione del Metro, con la
CGPM, il CIPM, i CC, gli IMN; l’OIML; gli
organismi normativi; la disseminazione e gli
accreditamenti; gli accordi di mutuo
riconoscimento; le ONG; gli OMR)
– il coordinamento generale
– Il VIM, la GUM, le norme UNI-CEI serie 80 000
• Possibili sviluppi futuri (cenni)
• Problemi di didattica
2
Nel 1875 su proposta del Governo Francese si
riunirono a Parigi i rappresentanti di venti
nazioni e nacque la Convenzione del Metro cui
aderì il nuovo regno d’Italia con la firma di
Costantino Nigra.
3
La Convenzione del Metro (CM)
 1875: firma di un accordo internazionale
a livello dei governi al quale aderirono 14
Nazioni. Oggi aderiscono, tra membri
effettivi e associati, 86 Nazioni
4
La Convenzione del Metro
(CM)
 Obiettivi: promuovere la diffusione dell’uso
di misure metriche; facilitare scambi e
confronti di misure tra Stati e procedere alla
realizzazione di un “metro internazionale”
Cosa ha prodotto e cosa coordina oggi
la Convenzione del Metro?
5
Metrologia
• E’ un complesso sistema che collega
grandezze, unità di misura e campioni
• E’ l’azione coordinata di una rete (IMN, lab,
ricerca, insegnamento)
• Garantisce la riferibilità per ricerca, produzione,
servizi
• Genera norme trasversali ai settori applicativi
• Consente di prendere e condividere decisioni
• Produce innovazione
• Garantisce la fede pubblica
6
Dunque
Scopo fondamentale della metrologia =
scienza della misura:
Realizzazione
Definizione
Mantenimento
Disseminazione
Riproduzione
7
Metrologia: aspetto
didattico
E’ una scienza: quindi esige
un linguaggio preciso nel
quale ogni termine esprime
un concetto ben definito
8
La triade fondamentale
Grandezze, Unità, Campioni
9
Grandezza
• Grandezza (quantities)
• proprietà di un fenomeno, corpo o sostanza che
può essere espressa quantitativamente
mediante un numero e un riferimento
• Il riferimento può essere una unità di misura,
una procedura di misura, o un materiale di
riferimento, o una loro combinazione
• Grandezze della stessa specie -> mutuamente
confrontabili (es. diametro, circonferenza e
spessore -> specie lunghezza). Tutte con la
stessa dimensione (necessario ma non
sufficiente; es. momento di una forza [N·m] e
energia [joule (J=kgxm2/s2 =Nxm])
10
Sistema di grandezze
insieme di grandezze associato a un
insieme di equazioni non
contraddittorie tra le grandezze
medesime
11
• Grandezze di base: nessuna di esse
può essere espressa come
combinazione delle altre
• Grandezze derivate: combinazione delle
grandezze di base del Sistema
Internazionale di Grandezze (ISQ)
12
Grandezze
Aspetti didattici
Grandezze = proprietà di qualcosa, ma:
•
Sono grandezze del ISQ il sapore, la commestibilità, il gradimento?
No, perché non esprimibili mediante un numero. Ma anche: le
relazioni tra manifestazione d’esse
Trattasi di scelta convenzionale di cosa è nel ISQ e di cosa è fuori.
Grandezze della stessa specie
•
•
Concetto al quale forse possono arrivare anche allievi delle
elementari.
Massa inerziale, massa gravitazionale, massa energetica -> diverse
manifestazioni della stessa grandezza massa.
13
Grandezze adimensionali
Tutti gli esponenti = 0; oppure rapporto tra grandezze della
stessa specie (es. angolo piano, angolo solido, indice di
rifrazione, frazione massica1, coefficiente di attrito2,
numero di Mach3)
1
rapporto tra la massa di una specie chimica e la massa totale di una miscela.
2
rapporto tra due forze (forza di attrito tra due corpi e la forza che li tiene in contatto)
3
rapporto tra la velocità di un oggetto in moto in un fluido e la velocità del suono nel fluido considerato
14
Il Sistema Internazionale di Grandezze
(ISQ = International System of Quantities)
Le sette grandezze di base:
•
lunghezza, massa, tempo, corrente elettrica, temperatura
termodinamica, quantità di sostanza, intensità luminosa
Simboli delle grandezze di base
•
Raccomandati, non obbligatori, da non cambiare nel contesto, in
corsivo
Simboli delle dimensioni delle grandezze di base
L, M, T, I, Θ, N, J
Equazioni tra grandezze
dim Q = Lα Mβ Tγ Iδ Θε Nζ Jη
(esponenti positivi, negativi o nulli)
15
Unità e Sistema Internazionale di
Unita (SI, pronuncia esse i)
Unità di misura
grandezza scalare reale, definita e adottata
per convenzione, con la quale è possibile
confrontare ogni altra grandezza della stessa
specie
16
Unità e Sistema Internazionale di Unita (SI)
Sistema di unità
• insieme di unità di base e di unità derivate,
congiuntamente ai loro multipli e sottomultipli, definito
in conformità a determinate regole, per un sistema di
grandezze
SI
• sistema di unità, basato sul Sistema internazionale di
grandezze, con i nomi e i simboli corrispondenti,
inclusa una serie di prefissi con i rispettivi nomi e
simboli e le regole per il loro impiego, adottato dalla
Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (CGPM)
17
Unità del SI
Per alcune unità di misura sono impiegati
nomi speciali in relazione a grandezze di
una particolare specie. Per esempio,
l’unità di misura secondo alla meno 1
(1/s) è chiamata hertz (Hz) quando è
impiegata per le frequenze e becquerel
(Bq) nel caso della attività di radionuclidi.
18
Unità di base
unità di misura adottata convenzionalmente per una
grandezza di base
• In ciascun sistema di unità coerente vi è una sola
unità di base per ogni grandezza di base
• Una unità di base può anche essere impiegata per
una grandezza derivata della stessa dimensione
(es. l’altezza pluviometrica, definita come volume
areale (volume all’unità d’area), ha il metro come
unità derivata coerente nel SI)
19
La scelta è determinata principalmente da ragioni
storiche e dal modello fisico matematico con il quale
si rappresentano i fenomeni naturali.
Le unità di base sono dimensionalmente indipendenti, nel senso
che nessuna di esse si può esprimere come funzione delle
altre, anche se poi la definizione di una unità fa riferimento
ad altre unità come nei casi del metro, dell'ampere, della
candela e della mole.
Inoltre sono scelte e definite in modo da poter essere
realizzate con la minor incertezza possibile allo stato
attuale della tecnologia; è questo il motivo per cui le
definizioni sono soggette a modifiche anche sostanziali,
senza peraltro che vari il nome dell'unità e, entro le
incertezze sperimentali, il valore del campione che le
realizza.
20
Unità del SI
Unità derivata
• unità di misura di una grandezza derivata
Il metro al secondo, simbolo m/s, e il centimetro al secondo,
simbolo cm/s, sono unità derivate della velocità nel SI. Il
kilometro all’ora, simbolo km/h, è una unità di misura della
velocità al di fuori del SI, ma accettata. Il nodo, corrispondente
a un miglio nautico all’ora, è una unità di misura della velocità al
di fuori del SI.
Unità derivata coerente
• unità derivata che, per un sistema di grandezze e per un insieme
di unità di base, è un prodotto di potenze di unità di base nel
quale tutti i fattori di proporzionalità sono pari a uno
mkgsAKmolcd
21
Unità SI
Aspetti didattici
?
Concetti di grandezza e di unità in senso generico e nel
SI
Nomi e simboli delle unità di base
• Lunghezza: metro -> m
• Massa: kilogrammo -> kg
• Tempo: secondo -> s
• Corrente elettrica (intensità di): ampere -> A
• Temperatura termodinamica: kelvin -> K
• Quantità di sostanza: mole -> mol
• Intensità luminosa: candela -> cd
22
Unità e SI
Aspetti didattici
?
Discussione su multipli e sottomultipli delle
unità e loro simboli (simboli e potenze del 10)
Discussione sulla strana unità kilogrammo che è
un multiplo del grammo: ma il grammo è
sottomultiplo del kilogrammo di ordine 10-3
Valore di una grandezza
• Lunghezza di una barra: 5,34 m oppure 534
cm
• Massa di un corpo: 0,152 kg oppure 152 g
23
?
Unità e SI: aspetti didattici
Fattore di conversione tra unità
• rapporto di due unità di misura corrispondenti a grandezze della
stessa specie
km/m = 1 000 e dunque 1 km = 1 000 m
h/s = 3 600 e pertanto 1 h = 3 600 s
Grandezza ordinale
• grandezza, definita mediante una procedura di misura
convenzionale, per la quale è possibile stabilire una relazione
d’ordine totale con altre grandezze della stessa specie, in base
alla loro espressione quantitativa, ma per la quale non sussistono
operazioni algebriche tra tali grandezze
Numero di ottano per carburanti. Magnitudo di un terremoto in scala
Richter. Livello soggettivo del dolore addominale in una scala da zero
a cinque. Durezza Mohs (dal talco al diamante)
24
?
Unità e SI: aspetti didattici
• Scala di misura
insieme ordinato di valori di una
grandezza di una data specie, impiegato
per mettere in relazione grandezze della
stessa specie sulla base della loro
espressione quantitativa
Scala di temperatura Celsius. Scala di durezza Rockwell C.
• Scala ordinale
scala dei valori di una grandezza per
grandezze ordinali
25
Proprietà classificatoria
proprietà di un fenomeno, corpo o
sostanza, alla quale non è possibile
associare un’espressione quantitativa
Sesso di un essere umano. Colore di un
campione prelevato di vernice.
26
Brevissimi cenni storici
Lungo il 1800 erano stati scoperti o applicati
molti fenomeni fisici che venivano poi
ingegnerizzati ed applicati sia nella vita di ogni
giorno sia nell’industria che richiedeva sempre
nuovi strumenti.
Altri bisogni si venivano imponendo anche nel
settore della metrologia che tenessero conto
dell’elettricità e dell’elettromagnetismo e della
fotometria.
Lungo tutto il diciannovesimo secolo si venne
delineando il Sistema di unità di misure che
fornì la base per l’attuale SI.
27
Il sistema metrico decimale era un sistema di "pesi e
misure" limitato alle unità di uso corrente nella vita
comune (lunghezza e massa, cioè metro e
kilogrammo).
Il merito di averne fatto la base dei sistemi
molto più completi di unità usati nella fisica va
attribuito a Gauss (1777-1855).
Innanzi tutto egli mise in chiaro che il cosiddetto
campione di peso depositato negli Archivi si doveva
intendere come campione di massa; quindi insegnò a
derivare, dalle tre unità di lunghezza, massa e
tempo assunte come fondamentali, non solo le unità
delle altre grandezze meccaniche, ma anche quelle
magnetiche ed elettriche.
28
Come si è detto, alla sigla della convenzione
del metro il sistema metrico decimale era
un sistema di "pesi e misure" limitato alle
unità di uso corrente nella vita comune
(lunghezza e massa, cioè metro e
kilogrammo). Cui si aggiunse il secondo
Il metro con riferimento al diametro della
terra, la massa al kilogrammo campione, il
secondo alla 1/86 400 della durata
del giorno solare medio.
29
campioni di lunghezza e di massa simili a quelli degli
Archivi di Francia (da L’Aventure du mètre, volume
speciale per l’esposizione al CNAM, Musée National
des Techniques, 1989)
30
Però, sul finire del diciannovesimo secolo era ormai
persuasione diffusa che i fenomeni elettromagnetici
non fossero spiegabili con ipotesi meccaniche e che
fosse giusto riconoscere nelle grandezze elettriche
una dimensione ulteriore, non riducibile a lunghezza,
massa e tempo.
Una proposta in questo senso fu presentata da
Giovanni Giorgi (1871-1950) al Congresso
dell'Associazione Elettrotecnica Italiana nel 1901,
con l’aggiunta di una quarta unità fondamentale,
scelta comunque tra le unità elettriche internazionali
da considerarsi di origine arbitraria.
31
Soltanto nel 1935 la Commissione
Elettrotecnica Internazionale adottò il
sistema a quattro unità fondamentali,
dandogli il nome di sistema Giorgi. La
quarta unità fu dapprima l'ohm, in seguito
divenne l'ampere.
32
Unità SI oggi
http://www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8.pdf
http://www.inrim.it/ldm/index_i.shtml
33
Definizioni delle unità di base
In base al riferimento scelto le
classifichiamo in tre gruppi:
1. Riferimento a un prototipo (definizione
del kilogrammo)
2. Riferimento a caratteristiche o
proprietà di fenomeni naturali
(definizione di secondo, temperatura
termodinamica, mole)
3. Riferimento a costanti di modello
(definizione di metro, ampere, candela)
34
Definizione del gruppo prototipo
Il kilogrammo è l'unità di massa ed è eguale
alla massa del prototipo internazionale
conservato presso il BIPM
Note didattiche:
•
•
•
Unità e campione si identificano
Da sempre l’unità di massa (o peso)
è stato un prototipo
Vantaggi e svantaggi dei prototipi
Vantaggi e svantaggi del kilogrammo
35
Definizione del gruppo “fenomeni”
Unità di quantità di sostanza
la mole è la quantità di sostanza di un sistema che
contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi
in 0,012 kg di carbonio 12.
Le entità elementari devono essere specificate e
possono essere atomi, molecole, ioni, elettroni, ecc.
ovvero gruppi specificati di tali particelle
Note didattiche:
•
Bisogna specificazione le entità elementari
•
Quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio 12?
•
Serve saperlo?
•
Vantaggi e svantaggi della definizione
36
Unità di tempo
Il secondo è la durata di 9 192 631 770 periodi
della radiazione corrispondente alla
transizione tra due livelli iperfini dello stato
fondamentale dell'atomo di cesio 133
Note didattiche:
•
Definizione a carattere
universale come tutte nel gruppo
•
Il tempo è durata, cioè intervallo
•
Da sempre il riferimento è alla
durata di un fenomeno naturale
•
Vantaggi e svantaggi della definizione
37
Unità di temperatura termodinamica
il kelvin, unità di temperatura termodinamica, è la
frazione 1/273,16 della temperatura
termodinamica del punto triplo dell'acqua
Note didattiche:
• Il punto di solidificazione dell’acqua è posto
1 mK sotto il punto triplo
• L’altro punto della scala termodinamica è 0 K
• Esiste la Scala Pratica di Temperatura (SPT)
periodicamente aggiornata per mantenerla
allineata alla scala termodinamica
• L’unità della SPT è il grado Celsius (1 °C = 1 K)
38
Definizione del gruppo “costanti”
Unità di lunghezza
il metro è la lunghezza del tragitto compiuto
dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo
di 1 / 299 792 458 di secondo
c0= 299 792 458 m/s
c dal latino celeritas
39
Unità di intensità di corrente (elettrica)
l'ampere è l'intensità di corrente elettrica che,
mantenuta costante in due conduttori paralleli,
di lunghezza infinita, di sezione circolare
trascurabile e posti alla distanza di un metro
l'uno dall'altro, nel vuoto, produrrebbe tra i
due conduttori la forza di 2x10-7 newton su
ogni metro di lunghezza.
40
Realizzazione pratica
La XIX CGPM, ha raccomandato
di adottare, dal 1 Gennaio 1990,
valori ben definiti delle costanti
di Josephson e di von Klitzing
Realizzazione del campione
di tensione mediante
effetto Josephson (1973)
Laboratorio per la realizzazione
del campione di resistenza
elettrica mediante effetto Hall
quantistico (1982)
41
Unità di intensità luminosa
La candela è l'intensità luminosa, in una
data direzione, di una sorgente che emette
unaradiazione monocromatica di frequenza
540 x 1012 hertz e la cui intensità energetica in
quella direzione è 1/683 watt allo steradiante
Note didattiche:
•
•
•
Si deduce che per l'efficienza luminosa
spettrale della radiazione monocromatica di
frequenza 540·1012 Hz è
683 lm/W (costante di natura fisiologica)
In pratica l’unità fondamentale è il flusso luminoso
espresso in lumen
Vantaggi e svantaggi
della definizione
42
Disseminazione delle unità
Con disseminazione si intende il processo
di distribuzione agli utenti delle unità di
misura, tramite catene ininterrotte di
tarature di campioni e strumenti di
misura che creano il collegamento di ogni
misura a quella effettuabile con i
campioni nazionali. Tale collegamento
viene chiamato, in gergo metrologico,
riferibilità delle misure.
43
Campioni (di ….)
Campione di misura
•
(non “campione” solo)
realizzazione della definizione di una grandezza, con
un valore stabilito e con un’incertezza di misura
associata, impiegata come riferimento
Campione di misura internazionale
•
campione di misura riconosciuto dai firmatari di un
accordo internazionale ai fini di una utilizzazione a
livello mondiale
Campione di misura nazionale
•
campione di misura riconosciuto da una autorità
nazionale garante ai fini del suo impiego nell’ambito
di uno stato o di un sistema economico, come base
per l’assegnazione di valori ad altri campioni di
misura della specie di grandezza in questione
In Italia definiti in allegato a legge 273/1991 (Istituzione del sistema
nazionale di taratura)
44
Campioni: conservazione e disseminazione
Percorsi indipendenti dalle definizione delle
unità
Metro: campioni ottici
Ampere e altre unità elettriche: effetto
Josephson, KJ=2e/h, e costante di von Klitzing,
RK= h/e2
Temperatura: scala pratica
Mole: rapporti e materiali di riferimento
Candela: lampade a incandescenza
45
Campioni: aspetti didattici
Incertezza del campione di misura
• Deve essere commisurata allo scopo per
il quale si effettua la misurazione
• Incertezza del misurando
Gerarchia dei campioni
• Primario, secondario, di riferimento, di
lavoro, viaggiatore
• Tutti hanno pari dignità se usati in modo
proprio, cioè adatto allo scopo
46
Materiali di riferimento
Materiale di riferimento
• materiale sufficientemente omogeneo e stabile
rispetto a proprietà specificate, che si è stabilito
essere idoneo per l’utilizzo previsto in una misurazione
o nell’esame di proprietà classificatorie
• È un campione di misura materializzato
Materiale di riferimento certificato
• materiale di riferimento accompagnato da un
documento rilasciato da un organismo di confacente
autorità, nel quale sono riportati i valori di una o più
proprietà specificate, con le corrispondenti incertezze,
riferibilità e rintracciabilità, definite impiegando
procedure valide
Importanza di questi 2 concetti per la chimica
47
? Materiali di riferimento
Aspetti didattici
Valore di riferimento di una grandezza
• valore di una grandezza usato come base per il
confronto con i valori di grandezze della stessa
specie
Perché i valori di riferimento nei risultati delle analisi di
parametri del sangue sono diversi da un laboratorio
all’altro?
1. Sono diverse le incertezze delle procedure usate
2. È differente la popolazione che accede al laboratorio
48
Gli organismi La Convenzione del
Metro (CM)
 1875: Sollecitazione iniziale per l’accordo
internazionale viene dall’ambiente scientifico europeo
 Obiettivi: promuovere la diffusione dell’uso di misure
metriche; facilitare scambi e confronti di misure tra
Stati e procedere alla realizzazione di un “metro
internazionale”
 Proposta dagli scienziati, la CM fu invece scritta
secondo le esigenze dell’agricoltura e del commercio
e sotto l’influenza del pensiero positivista:
 trionfano i prototipi
 10 dic 2010: 55 membri e 38 associati
49
Paradigma poco scientifico
• Alla universalità si sostituisce il metodo
del consenso e alla razionalità si
aggiunge un nuovo concetto: la
continuità, conseguenza necessaria per
il consenso: si cambia solo per
migliorare, lasciando libero chi non sente
l’esigenza del miglioramento di continuare
a usare i vecchi campioni
• Paradigma dei prototipi, ripreso dalla
tradizione, con al vertice l’autorità: il
BIPM
50
?
I prototipi:Aspetti didattici
 I prototipi sono al tempo stesso unità e
campioni di misura
 Oggi l’unico prototipo usato per definire una
unità di misura è il kilogrammo
 Chiunque può costruirsi un sistema di unità di
misura, tutto costituito da prototipi; comodo
ma non universale.
 Problemi con i prototipi: difficile disseminarli
(copie); si possono distruggere (guerre);
essendo unici impossibile determinarne la
stabilità nel tempo.
51
Articolazione della
Convenzione del Metro
 Struttura decisionale intergovernativa di natura
politica: Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure
(CGPM)
 Struttura scientifica di supporto alla CGPM (con forti
autonomie per delega): Comitato Internazionale dei
Pesi e delle Misure (CIPM). 18 membri a titolo
personale
 Strutture consultive settoriali: Comitati Consultivi
(10 attualmente). Membri gli IMN
 Laboratorio Internazionale operativo per
disseminazione e ricerca: Bureau Internazionale dei
Pesi e delle Misure
52
La struttura della CM
CGPM
Governi
CIPM
Organizzazioni
Internazionali
Comitati
Consultivi
Istituti
Nazionali
BIPM
53
Tipologia di delibere
della CGPM
• Delibere sul SI (definizioni unità,
nomi, regole, messa in pratica, …);
recepite da ISO e IEC e nelle leggi e
regolamenti di stati membri CM
• Delibere su bilancio BIPM e
ripartizione
• Raccomandazioni a stati membri per
attività speciali
• Raccomandazioni a IMP e altri
54
Il CIPM
• Organismo esecutivo
• Costituito da 18 membri eletti a titolo
personale dalla CGPM, + membri onorari
• Si riunisce ogni anno presso il BIPM
• Supervisiona l’attività del BIPM e tutte
le questioni della CM
• Cura l’attuazione delle delibere della
CGPM
55
BIPM
56
Il BIPM
• Centro Internazionale di metrologia
scientifica
• Laboratori e uffici a Sèvres
• Ha uno staff di circa 70 persone di
diverse nazionalità (34% con PhD)
• Effettua tarature di campioni primari
degli Stati membri
• Riceve mezzi sufficienti per una lenta
ma continua crescita
57
Gli Istituti Metrologici
Nazionali
• 1877: su iniziativa di Werner von
Siemens (1816 – 1892) e di Hermann
von Helmholtz (1821 – 1894), in
Germania viene fondata la
Physikalisch-Technische Reichsanstalt
(PTR, sostituita nel 1950 dal
Physikalisch-Technische
Bundesanstalt, PTB).
58
I Comitati Consultivi costituiti dal CIPM
Acron
Anno
Acronimo e nome originale
Anno
CCEM
1927
CCE per l'elettricità
1997
CCPR
1933
CCP per la fotometria
1971
CCT
1937
CCT di termometria
CCL
1952
CCDM per la definizione del metro
1992
CCU
1954
Commissione per il sistema di unità
1964
CCTF
1956
1997
CCRI
1958
CCDS per la definizione del secondo
CCEMRI (Comité consultatif pour les étalons
mesure des rayonnements ionisants): per i
campioni di misura delle Radiazioni
Ionizzanti
CCM
1980
CCM per la massa e le grandezze
apparentate
CCQM
1993
CCQM per la quantità di sostanza
CCAUV
1998
CCAUV di acustica, ultrasuoni e vibrazioni
de
1997
2001
59
Gli Istituti Metrologici Nazionali
• 1899, vicino a Londra, fondazione del
National Physical Laboratory (NPL);
• 1901, vicino a Washington, il National
Bureau of Standards (NBS, con il
nuovo nome di National Institute of
Standards and Technology, NIST, dal
1990; è un’agenzia federale che fa
parte del dipartimento del commercio)
60
Gli Istituti Metrologici Nazionali
In Russia nel 1893 fu riorganizzato il
Dipartimento dei Campioni dei Pesi e delle
Misure istituito nel 1842, trasformandolo
dapprima in Ufficio (istituto) e nel 1931 in
Istituto di Metrologia e dei Campioni
dell’Unione; nel 1934 all’Istituto fu
assegnato il nome di Istituto Mendeleev di
Metrologia, nome che conserva ancora oggi.
61
Nell’Italia divisa
ognuno andava per
conto suo, ma si era
già incominciato a
far riferimento al
modello francese.
Italia?
Nel 1816 l’Accademia
delle Scienze di
Torino fu chiamata
ad esprimere la sua
opinione sui pesi e
sulle misure.
62
Risposta dell’Accademia
“Abbiamo due sorta di quantità lineari atte a
servire d’Archetipo;
* le dimensioni della terra;
* La lunghezza di un pendolo che in
un dato luogo faccia in un dato
tempo un dato numero di vibrazioni”
63
Per ordine del ministero
dell’Agricoltura e del
Commercio per la
diffusione del nuovo
Sistema dei Pesi e delle
Misure
Opera di un
fratello delle
scuole cristiane
La divulgazione
Il Sistema Metrico Decimale,
ridotto a semplicità,
preceduto dalle prime
quattro operazione
dell’aritmetica, ad uso degli
artigiani e della gente di
campagna.
1849
64
Italia?
17 marzo 1861
Vittorio Emanuele II
re d’Italia
28 luglio 1861
decreto sui Pesi e
Misure
e
id
ec
re
t
ia
tt
u
at
i vi
65
La normativa che nel 1861 impose l'adozione nel Regno d'Italia del sistema
metrico decimale (Legge sui pesi e sulle misure, 28 luglio 1861, n. 132 e R.D. che
approva il Regolamento pel servizio dei pesi e delle misure, 28 luglio 1861, n.
163), affidò alle giunte municipali il compito di redigere, ed aggiornare
annualmente, l'elenco delle persone residenti nel territorio comunale che
utilizzassero pesi e misure nell'esercizio di un'attività economica. Alla verifica, da
parte dello Stato, dell'esattezza degli strumenti di misura corrispondeva il
versamento di una tassa da parte degli utenti. La prassi di compilare sia gli stati
degli utenti sia i ruoli del diritto da essi dovuto per la verificazione fu abolita dalla
successiva legislazione in materia (Legge sui pesi e sulle misure, 23 giugno 1874,
n. 2000, serie 2° e R.D. col quale è approvato il Regolamento pel servizio della
verificazione dei pesi e delle misure e dei misuratori del gas-luce, 29 ottobre 1874,
n. 2188, serie 2° ) che, semplificando la procedura, prescrisse a partire dal 1875
l'annotazione del diritto dovuto direttamente sugli stati e stabilì che la
corresponsione dello stesso avvenisse mediante l'acquisto di marche da bollo. Il
Testo Unico delle leggi metriche del 23 agosto 1890, n. 7088, serie 3° e il relativo
regolamento di applicazione, R.D. 7 novembre 1890, n. 7249, serie 3° ,
mantennero le modalità di compilazione degli stati, ma stabilirono che la verifica
avesse, dal gennaio successivo, una cadenza biennale.
I ruoli degli anni 1869, 1870 e 1871 sono legati in unico volume.
Dal 1891 la verifica diventa biennale
66
Alfabetizzazione e Divulgazione del Sistema
Metrico Decimale in varie parti del regno
1862: trattato di metrologia universale, 2° ed , ossia
Pesi, Misure e monete di tutti gli stati del mondo col
rapporto alle misure ed alle monete di Napoli e del
Piemonte, col metodo di riduzione da sistema di Napoli
a Decimale e viceversa, e colla giunta di 19 tavole di
confronto…
Lavoro di Vincenzo Molinari, eseguito su parziali
trattati di metrologia e sulle informazioni di esperti
negozianti
Un’intera pagina di dedica
All’illustre e onorevole cittadino Signor Vincenzo Sprovveri
Deputato
al primo
Parlamento Italiano
67
Italia
• 1861: Istituito l’Ufficio Metrologico temporaneo, sciolto nel
1864; produce le tavole di “ragguaglio” tra le unità. Istituiti
uffici di verificazione dei campioni e degli strumenti di misura
e la Commissione Consultiva dei pesi e delle misure,
presieduta da Camillo Ferranti.
• 1876: Commissione trasformata in “Commissione Superiore
dei pesi e delle misure e del saggio dei metalli preziosi”.
• 1887: Testo unico delle disposizioni su organizzazione e
funzionamento della Commissione Superiore.
• 1889: Arrivano i prototipi; per la disseminazione i laboratori
centrali utilizzano il comparatore Bianchi della Officina
Galileo e una serie di bilance Rüprect.
• 1890: Legge metrica e suoi regolamenti attuativi.
68
1934: In Italia nasce L’IENGF
5° Paese al mondo a dotarsi di un
Istituto Metrologico
• Fu Galileo Ferraris (1847-1897) a proporre,
nel 1882, di costruire a Torino, presso il Regio
Museo Industriale (il futuro Politecnico) un
Laboratorio Nazionale di Fotometria. Il Lab.
Nasce nel 1934.
• Thomas Alva Edison, che aveva ospitato
Ferraris in America, lo definì «il più grande
tra i grandi che al mondo hanno rivelato la
bellezza della scienza elettrica»
69
IMN
1944 INTI in Argentina si fa carico della metrologia
1947 NPLI National Physical Laboratory of India
1951 Canada National Research Council; 1990
Institute for National Measurement Standars (NRC-INMS)
1955 National Institute of Metrology of China
1960 National Metrology Institute of Australia
1972 Divisione di Metrologia in INTI Argentina
1973 INMETRO, Brasile, Instituto Nacional de
Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial
70
IMN
1977 METAS - l'institut national de
métrologie Svizzera
1989 Paesi Bassi NMi Van Swinden
Laboratorium (VSL)
1992 Messico CENAM Centro Nacional de
Metrología
1992 Turchia UME Ulusal Metroloji
Enstitüsü
2001 National Metrology Institute of Japan
71
Travagliata storia italiana
• L’Istituto di Metrologia «Gustavo Colonnetti»
(IMGC) del Consiglio Nazionale delle Ricerche
(CNR) deve le proprie origini al professor
Gustavo Colonnetti (1886-1968), presidente del
CNR dal 1944 al 1956. Nasce nel 1968
unificando:
• IDI (Istituto Dinamometrico Italiano) del CNR,
Prof. Anthos Bray (istituito nel 1955)
• ITI (Istituto Tremometrico Italiano) del CNR,
Prof. Giuseppe Ruffino (istituito nel 1957)
72
1952 - Commissione per la metrologia del
CNR (cessata nel 1994). La presiedono
Gustavo Colonnetti, Rinaldo Sartori,
Lorenzo Marenesi, Anthos Bray. 1975
istituisce il SIT. Dirime la rivalità tra ISS ed
ENEA sui campioni delle radiazioni
ionizzanti, favorendo la nascita nel 1991
del INMRI-ENEA (istituto Nazionale di
Metrologia delle Radiazioni Ionizzanti)
73
2006 – Nasce a Torino l’Istituto Nazionale di
Ricerca Metrologia (INRiM), unificando
l’IMGC-CNR e l’IEN.
Continua l’attività l’INRIM-ENEA, per le
radiazioni ionizzanti
2010 - unificazione in Accredia degli
organismi di accreditamento italiani (SIT,
SINAL, SINCERT)
74
Difetti della Struttura
della CM e suoi organismi
Contrasti fra componente politica, interessata
ad aspetti commerciali, e componente
scientifica
Va in crisi quando, intorno al tavolo, si siedono
per il consenso Nazioni:
• Che in quel momento sono in conflitto fra
loro, militare o economico o sociale.
• Con livelli di industrializzazione, di potere
economico, di organizzazione sociale, di
tradizioni culturali molto diverse tra loro.
75
?
La CM e suoi organismi
Aspetti didattici
Possibilità di ricerche interdisciplinari:
Analisi delle sei successive definizioni
del metro (frazione della lunghezza
dell’arco di meridiano, metro degli
archivi, prototipo a facce, prototipo a
tratti, multiplo della lunghezza d’onda,
derivato dal secondo tramite velocità
della luce nel vuoto)
76
?
La CM e suoi organismi
Aspetti didattici
In tutte le definizioni di unità basate su
costanti, che significato ha l’esperimento
“misurare il valore della costante”?
E se le costanti non fossero costanti?
Il peso degli IMN nella CM
Chi è fuori dalla struttura?
Perché?
77
Ma i ministeriali chiedono altro
• Già alla V CGPM (1913) G. Battistella,
ispettore del Commercio e dell’Industria al
Ministero italiano, chiede che, per
facilitare scambi e esportazioni di
strumenti metrici, siano normalizzati i tipi
più diffusi di strumenti per pesare e per
misurare e, di conseguenza, siano unificati i
regolamenti tecnici ministeriali.
• La CGPM non vuole occuparsene. I
ministeriali cominciano a pensare di
costruirsi una propria organizzazione: OIML
(1955)
78
L’Organizzazione Internazionale
di Metrologia Legale (OIML)
È un’organizzazione (1955) che nasce da un trattato
intergovernativo con Stati Membri (57) e
corrispondenti (55) per promuovere l’armonizzazione
globale della metrologia legale.
• Metrologia legale: comprende tutte le attività per le
quali sono prescritti requisiti di legge sulle
misurazioni, sulle unità di misura, sugli strumenti di
misura. Tali attività sono svolte da autorità
governative o a loro nome, con lo scopo di assicurare
un appropriato livello di credibilità (fede pubblica) dei
risultati delle misure prodotte in ambito regolatorio
nazionale.
• Misure effettuate o fatte effettuare per le
transazioni
commerciali
2013-2014:
Formazione&Metrologia
79
Metrologia Legale
In Italia se ne occupano apposite strutture delle
Camere di Commercio (CCIAA), sotto la supervisione
del Ministero per lo sviluppo economico
• Riferimento: direttiva europea 2004/22/CE, nota
come MID (Measuring Instruments Directive, recepita
mediante D.Lgs. 2 Febbraio 2007, n.22 ): si applica
agli strumenti di misura e ne regolamenta la
produzione, commercializzazione e la messa in
servizio. La MID introduce una “MARCATURA
METROLOGICA SUPPLEMENTARE (M)”.
• Direttiva secondo “il nuovo approccio”: prescrive le
prestazioni, non come ottenerle.
80
Metrologia Legale
Aspetti didattici
Grazie alla metrologia legale e ai controlli svolti dalle
CCIAA, possiamo fidarci di quello che misurano i
contatori (gas, energia elettrica, acqua), le bilance, i
tassametri, le pompe di benzina? E gli autovelox?
• Stima di quanti sono in Italia gli strumenti soggetti alla
metrologia legale
• Distinzione tra frodi (le combattono carabinieri, polizia
e guardia di finanza) ed errori degli strumenti metrici
(aggiustati grazie ai controlli delle CCIAA)
• Quante misure facciamo o qualcuno fa per noi ogni
giorno?
81
Gli Organismi Normativi
Si occupano della stesura di norme tecniche
volontarie, ossia basate sul consenso di tutte
le parti coinvolte.
Cos'è una norma tecnica?
Semplicemente un documento che dice come
fare bene le cose...
Chi sono le parti coinvolte?
In generale, produttori e consumatori
82
Organismi Normativi internazionali, europei, italiani
Internazionale
IEC
ISO
Elettrote- Meccanicnica+elet- ca,
tronica
termotec
ni-ca,
chimica,
luminotecnica
Europeo
CENELEC
CEN
CEI
UNI
Elettrote
cnica+elet
-tronica
Meccanica,
termotec
ni-ca,
chimica,
luminotecnica
Elettrote
cnica+elet
-tronica
Meccani-ca,
termotecnica, chimica,
luminotecnica
Italiano
83
Normativa
Aspetti didattici
• Approfondire le strutture organizzative sui
siti dei due Enti italiani:
• www.uni.com/
• www.ceiuni.it/
• E su quelli stranieri:
• www.iec.ch/ www.cen.eu/
• www.iso.org/ www.cenelec.eu/
84
IMN
• Realizzaz.
delle Unità
• Messa in
pratica e
conservaz.
Camp.Naz.
• Dissemin
• Centri
competenza
dominio
misure
Utilizzatori
della Metrologia
Produz e Commercio
Sanità e sicurezza
Centri di
APAT e ARPA (ISPRA)
taratura
Organismi di
Ricerca
Accreditamento
Comunicazione
Trasporti Navigazione
Lab.di Prova
Produz.distribuz.energ
Topografia e Geodesia
Metrologia legale
Servizi ministeriali per
Leggi
Applicaz. regolamenti
Direttive
Norme USR-INRiM-GMEE-CE.SE.DI. Forze armate
85
Il Sistema Qualità Italia
Sistema Nazionale
di Taratura
Legge 273/1991
produce
Sistema Nazionale
di Accreditamento
Strumenti
Tarati
ACCREDIA
servono alla
Norme Tecniche
Metodi di Prova
produce
Sistema Nazionale
di Normazione
Certificazione
di Conformità
A
Norme
Tecniche
produce
effettua
A
Requisiti
Essenziali
UNI/CEI
produce
Lab.di Tar.Prova
Sistemi Qualità
ACCREDITATI
Sistema di Leggi
e Direttive dello
Stato e della U.E.
86
Organismi regionali e
internazionali per gestione degli
accreditamenti
• ILAC (livello mondiale) International
Laboratory Accreditation Conference, 1977
– APLAC (Asia e Pacifico)
– EA (Europa)
– IAAC (America centrale e del sud)
– NACC (America del nord)
– SARAC (Africa del sud)
87
MRA 1999: mutuo riconoscimento dei
campioni nazionali e dei certificati di taratura
e misura emessi dai laboratori nazionali di
metrologia
• Intesa e non accordo. Limiti di validità:
non impegna i Governi.
• Firmato dai direttori dei laboratori di
stati membri della CM, di stati o
economie associati partecipanti alla
CGPM e da organizzazioni
intergovernative e internazionali
designate dal CIPM
88
MLA tra accreditamenti
• EA Multilateral Agreement
Accordo tra gli organismi di accreditamento
che aderiscono alla EA: riconoscono
mutuamente l’equivalenza, l’affidabilità e
l’accettabilità degli accreditamenti.
• Elimina la necessità di controlli su prodotti
e servizi accreditati in ciascun Paese della
UE:
• un controllo, vendibile ovunque
89
Gli organismi non governativi:
di carattere non solo metrologico
• ISO/TC12, IEC, CEN: nel CCU
• UIT, Unione Internazionale delle
telecomunicazioni; UAI, unione astronomica
internazionale; URSI, unione radioscientifica
internazionale; UGGI, unione di geodesia e
geofisica internazionale: tutte nel CCTF con
la responsabilità del Tempo Atomico
Internazionale (TAI)
• IUPAP, IUPAC, IFCC1 , IAF2, ecc.
1
2
International Federation of Clinical Chemistry
International Accreditation Forum
90
Nuovi organismi non governativi a
prevalente presenza universitaria
e industriale (1)
CIRP 1951 (Collège International pour la
Recherche en Productique) The
International Academy for Production
Engineering (www.cirp.net)
• Comitato di Ingegneria di Precisione e di
Metrologia
• Comitato delle Superficie
91
Nuovi organismi non governativi a
prevalente presenza universitaria e
industriale (2)
IMEKO 1958 (International
MEasurement Confederation)
Era un tentativo di superare, attraverso
gli incontri scientifici e tecnologici
organizzati dai Comitati di IMEKO,
l’isolamento nel quale erano costretti gli
scienziati dell’area geografica di
influenza sovietica
92
Gli organismi regionali di
coordinamento
• Si tratta di ONG a carattere di macro regioni
politico-economiche, a prevalente presenza di
IMN, sorti con gli obiettivi di:
• Affrontare problemi di metrologia pratica di
interesse della regione
• Coordinare le azioni degli IMN
• Facilitare l’accesso alle grandi infrastrutture
metrologiche da parte dei piccoli IMN
• Aiutare lo sviluppo della metrologia
93
Organismi non governativi a
prevalente presenza IMN (1)
1973: prima Conferenza Metrologica dell’Europa
Occidentale (WEMC: Western European Metrology
Conference)
• EUROMET, Cooperazione europea sulla metrologia.
Aderirono i paesi della UE e dell’European Free
Trade Association (EFTA). Membro di EUROMET
anche il Joint Research centre (JRC)
• 2007 EUROMET si trasforma in una associazione,
EURAMET, responsabile del Programma Europeo di
Ricerca Metrologica (EMRP)
94
La CE finanzia programmi
metrologici regionali
• BCR Bureau Comunitarie de Reference
• EMRP Programma Europeo di Ricerca
Metrologica (www.emrponline.eu)
• iMERA 2002-2008 (Planing and
Implementing the Metrology European
Research Area)
• iMERA-Plus 2007-2010 Execution of a
European Metrology Research
Programme (EMRP)
95
Organismi non governativi a
prevalente presenza IMN (2)
• 1977 APMP (Asia Pacific Metrology
Programme, www.apmpweb.org);
• 1979 SIM (Inter-American Metrology
System, www.sim-metrologia.org.br);
• 1980 SADCMET (Southern African
Development Community Co-operation in
Measurement Traceability,
www.sadcmet.org);
• 1999 COOMET (Euro-Asian Cooperation of
National Metrological Institutions,
www.coomet.org); e infine nel 2007 il
AFRIMETS (Infra-Africa Metrology System,
96
www.afrimets.org)
Associazioni culturali e loro ruolo
1978 Croatian Metrology Society - HMD
1983 Associazione Italiana GMME (Italia)
1984 Coordinate Metrology Society (USA)
American Society for Precision Engineering
(ASPE)
1993 Metrology Society of Australia
1996 The International Laboratory Accreditation
Cooperation (ILAC)
1999 Israeli Metrological Society (IMS)
97
Il coordinamento
generale del sistema
• JCRB (Joint Committee of the Regional
Metrology Organizations and the BIPM)
• JCDCMAS (Joint Committee for the
coordination of techical assistance to
Developing Countries in Metrology,
Accreditation and Standardization)
• JCTLM (Joint Committee for Traceability in
Laboratory Medicine)
• Comitato misto BIPM-IAU (International Astronomical
Union)
98
Il VIM
Vocabolario Internazionale di
Metrologia
• Lunga storia, oscillante tra farne un
vocabolario o una sintetica teoria della
misurazione.
• Oggi, frutto di un compromesso
largamente accettato, è un vocabolario
che recepisce termini appartenenti a
differenti teorie della misurazione.
99
La GUM
Guida alla stima dell’incertezza
nelle misure
• La guida nasce a seguito di un’iniziativa
del BIPM nel 1978: vengono riuniti gli
esperti designati dai Paesi membri per
stabilire un metodo unificato per
assegnare alla misura la sua qualità.
• Nasce allora la GUM e la teoria
dell’incertezza su basi probabilistiche
100
Le norme della serie UNI-CEIISO-IEC 80000
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
UNI CEI ISO 80000-1:2010 Grandezze ed unità di misura - Parte 1: Generalità
UNI CEI ISO 80000-2:2010 Grandezze ed unità di misura - Parte 2: Segni e simboli matematici
da utilizzare nelle scienze naturali e nella tecnica
UNI CEI ISO 80000-3:2006 Grandezze ed unità di misura - Parte 3: Spazio e tempo
UNI CEI ISO 80000-4:2006 Grandezze ed unità di misura - Parte 4: Meccanica
UNI CEI ISO 80000-5:2009 Grandezze ed unità di misura - Parte 5: Termodinamica
UNI CEI ISO 80000-7:2009 Grandezze ed unità di misura - Parte 7: Luce
UNI CEI EN ISO 80000-8:2007 Grandezze ed unità di misura - Parte 8: Acustica
UNI CEI ISO 80000-9:2010 Grandezze ed unità di misura - Parte 9: Chimica fisica e fisica
molecolare
UNI CEI ISO 80000-10:2010 Grandezze ed unità di misura - Parte 10: Fisica atomica e nucleare
UNI CEI ISO 80000-11:2009 Grandezze ed unità di misura - Parte 11: Numeri caratteristici
UNI CEI ISO 80000-12:2010 Grandezze ed unità di misura - Parte 12: Fisica dello stato solido
UNI CEI EN 80000-13:2009 Grandezze ed unità di misura - Parte 13: Scienza e tecnologia
dell'informazione
UNI CEI EN 80000-14:2009 Grandezze ed unità di misura - Parte 14: Telebiometria relativa alla
fisiologia umana
101
Cenni al futuro: il SI
• Non più grandezze di base ma costanti
“fondamentali” di base
• Non più unità di misura di base ma valori
immutabili delle costanti di base a
incertezza nulla
• Restano le procedure per la
realizzazione dei campioni delle diverse
unità
102
On three occasions, roughly 40
years apart, the mass of the
official copies, the national
prototypes and the working
standards of the BIPM have
been compared with the mass of
the international prototype. On
the last of these occasions
(1988-1992), 34 standards from
national laboratories were
cleaned with solvent and then
steam-cleaned with doubledistilled water before the
definitive mass comparisons.
103
Unità di base
grandezza
lunghezza
massa
unità
metro
kilogrammo
simbolo
definizione
m
tragitto percorso dalla luce nel vuoto
in un intervallo tempo pari a 1/299
792 458 di secondo
kg
massa del campione del platino-iridio,
conservato presso il Bureau
Internazional des Poids et Mesures di
Sèvres (Parigi)
5?
1
0
2
intervallo di secondo
tempo
s
durata pari a 9 192 631 770 periodi
della radiazione corrispondente alla
transizione tra i livelli iperfini dello
stato fondamentale dell'atomo di
cesio-133
Destinate a cambiare
104
Grandezza
intensità di
corrente
elettrica
unità
ampere
Temperatura kelvin
termodinami
ca
simbolo
A
definizione
quantità di corrente che scorre
all'interno di due fili paralleli e
rettilinei, di lunghezza infinita e
sezione trascurabile, immersi nel
vuoto ad una distanza di un metro,
induce in loro una forza di attrazione
o repulsione di 2*10-7 N per ogni
metro di lunghezza
?
5
1 valore
20
K
corrispondente a 1/273,16
della temperatura termodinamica del
punto triplo dell'acqua
105
Grandezza
unità
quantità di
sostanza
simbolo
mole
mol
?
5
1
20
intensità
luminosa
candela
cd
definizione
quantità di materia di una
sostanza tale da contenere tante
particelle elementari quante ne
contengono 0,012 kg di carbonio12. Tale valore corrisponde al
numero di Avogadro
intensità luminosa di una sorgente
che emette una radiazione
monocromatica con frequenza
5,4*10-14 Hz e intensità
energetica di 1/683 W/sr.
106
Sulla possibile revisione del SI, proposta per CGPM
17-21 ottobre 2011
È intenzione del CIPM proporre la revisione del SI come segue:
Il SI sarà un sistema in cui:
•La frequenza della transizione tra due livelli iperfini dello stato fondamentale
dell’atomo di cesio 133 Dn(133Ce)hfs è esattamente 9 192 631 770
hertzsecondo
•La velocità della luce nel vuoto è esattamente 299 792 45… metri al
secondometro
•La costante di Planck è esattamente 6,626 06…. joule al secondokilogrammo
•La carica elementare e è esattamente 1,602 17…. coulombampere
•La costante di Boltzman è esattamente 1.380 6… joule per kelvinkelvin
•La costante di Avogadro é esattamente 6.022 14.. reciproco della molemole
•L’efficienza luminosa Kcd di una radiazione monocromatica di frequenza
683 lumen per wattcandela
540x 1012 Hz è esattamente
107
Il SI continuerebbe ad essere costituito dalle
sette unità fondamentali
Esempio di possibile ridefinizione
Il kilogrammo continua ad essere l’unità di massa,
ma il suo valore viene stabilito fissando il valore
della costante di Planck esattamente eguale a
6,626 06X ×10–34 quando essa è espressa in unità
SI m2 kg s–1, che è eguale a J s.
L’ampere continua a essere l’unità di intensità di
corrente elettrica ma il suo valore viene stabilità
fissando il valore numerico della carica elementare
esattamente eguale a 1,602 17X ×10–19 quando è
espressa in unità SI s A, che è eguale a C.
108
Quando?
CGPM
2015?
109
Cenni al futuro: nuovi campi
Soft metrology
Misurare l’impossibile
• l’insieme di tecniche e modelli che
permettono la quantificazione
oggettiva delle proprietà determinate
dalla percezione, nel dominio di tutti i
cinque sensi
110
Discussione:
Quali possono essere gli
aspetti didattici di tutta
questa materia?
111

Metrologia, Prodotti, Organizzazione ()

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