[ingegnerismo]

Per metodo di misura si intende la sequenza logica di operazioni pratiche, impiegate nell’esecuzione della misurazione di grandezze fisiche in osservazione.

Quanto migliore è il metodo di misura utilizzato e quanto migliori sono gli strumenti e la loro tecnologia, tanto più vicina alla realtà è la misura che descrive lo stato della grandezza fisica misurata. In linea di principio quindi la misura rappresenta la realtà fisica con una certa approssimazione, ovvero con un certo errore, errore che potrà essere reso piccolissimo ma mai nullo.

Ci sono due possibilità per effettuare una misura:

1. il metodo diretto di misura permette di ottenere il risultato della misura direttamente dalla lettura dello strumento utilizzato (in altre parole si ha un confronto diretto della grandezza da misurare con una grandezza omogenea scelta come campione), senza la necessità di conoscere esplicitamente valori di altri parametri, eccetto ovviamente quelli delle grandezze che influenzano la misura stessa; una misura ottenuta con il metodo diretto è ovviamente detta misura diretta;
2. si parla invece di metodo indiretto di misura quando il risultato della misura è ottenuto per mezzo di una legge fisica misurando, per via diretta, le varie grandezze che in essa intervengono. Parliamo perciò in questo caso di una misura indiretta. Ad esempio, una misura di resistenza si può ottenere misurando la tensione ai suoi capi e la corrente attraverso di essa e facendo poi il rapporto.

La maggior parte delle misure è ottenuta per via indiretta, quasi sempre per motivi di costo. Ad esempio, una misura di densità di una data sostanza potrebbe essere ottenuta direttamente tramite un apparecchio che si chiama densimetro, ma è decisamente più comodo misurare direttamente la massa ed il volume della sostanza e farne poi il rapporto.

Il vantaggio delle misure dirette consiste essenzialmente nel fatto che con esse è più difficile compiere errori grossolani, in quanto lo strumento necessario per compiere il confronto è in generale semplice, e pertanto non soggetto a guasti occulti.

Le misurazioni indirette, invece, hanno la caratteristica di essere maggiormente soggette al compimento di approssimazioni in quanto nell’applicazione della formula che rappresenta la legge fisica è presente la propagazione degli errori. Occorre pertanto porre attenzione particolare alle approssimazioni che si compiono quando si eseguono le misure dirette.

Si definiscono inoltre misurazioni con strumenti tarati, quelle effettuate a mezzo di uno strumento, e cioè un dispositivo atto a memorizzare definitivamente il campione con il quale viene confrontata la grandezza in esame. Nel caso di strumenti tarati, in generale, lo strumento è sensibile a grandezze non omogenee con quella da misurare.

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Catena di misura

Con il termine catena di misura si intende l’insieme degli stadi di uno strumento di misura, che elaborano l’informazione rilevata dalla grandezza fisica in studio, per poi presentare un risultato: ossia la misura. Gli stadi di una catena di misura sono essenzialmente tre:

1. il primo è costituito da un sensore e/o da un trasduttore a contatto con la grandezza da rilevare (chiamato anche elemento sensibile primario). In catene di misura che prevedano più di un trasduttore, si possono manifestare effetti di crosstalk, e la causa di questo effetto è da ricercare in accoppiamenti capacitivi ed induttivi che si possono manifestare nei trasduttori stessi, nei cavi di connessione, ed infine, nel blocco di manipolazione;
2. il secondo è costituito da un sistema di elaborazione intermedio del segnale o condizionatore di segnale che converte l’informazione proveniente dagli stadi precedenti in una forma tale da adattarsi al sistema di acquisizione. Tipiche operazioni effettuate dal circuito di condizionamento sono il filtraggio dei disturbi, la linearizzazione della funzione di trasferimento, la conversione e l’amplificazione del segnale generato dal trasduttore. Il segnale di uscita dalla catena di misura può essere di tipo analogico o digitale. L’alimentatore fornisce la potenza elettrica necessaria al funzionamento dei vari dispositivi elettronici impiegati nella catena di misura. Il sensore non viene alimentato quando trae la potenza indispensabile per l’informazione dal mondo esterno come avviene per le termocoppie e i sensori piezoelettrici;
3. il terzo invece è rappresentato dallo strumento terminale che indica il risultato delle operazioni effettuate dagli stadi precedenti, ovvero fornisce all’operatore il valore della misurazione.

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Grandezze di influenza nelle misure

In Metrologia, nei casi in cui le condizioni ambientali di reale utilizzazione del trasduttore si discostino in modo rilevante dalle condizioni ambientali di calibrazione occorrerà tenere conto degli effetti dovuti alle grandezze di influenza. In questi casi si dovranno condurre prove specifiche su di una popolazione dei trasduttori oppure, almeno, su di un solo esemplare di trasduttore.

Appare necessario evidenziare che occorre porre attenzione alle condizioni ambientali non solo durante l’esercizio del sensore ma anche durante le precedenti fasi quali lo stoccaggio ed il trasporto; dette condizioni ambientali, se non controllate e verificate possono alterare significativamente e, soprattutto, in modo imprevedibile le prestazioni metrologiche del trasduttore.

Talune delle principali grandezze di influenza che si manifestano nelle misure meccaniche e termiche sono qui di seguito richiamate.

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Effetti dovuti alla temperatura

Per ogni trasduttore viene indicato il campo di variazione della temperatura di lavoro all’interno del quale può essere utilizzato senza determinarne un danneggiamento.

In detto campo di utilizzo vengono generalmente forniti dal costruttore gli andamenti sia della deriva di zero che della deriva della sensibilità; infatti, ad esempio, nelle misure condotte con estensimetri a resistenza sono forniti sia gli andamenti della deformazione apparente in funzione della temperatura (deriva di zero) che il coefficiente di sensibilità del fattore di taratura in funzione della temperatura (deriva della sensibilità).

Un ulteriore metodo che consente di esprimere il modo sintetico l’effetto dovuto alla temperatura è la individuazione di un intervallo di variazione dell’errore da essa dovuta, che viene espresso ad esempio in percentuale del fondo scala.

Occorre anche conoscere il valore massimo e minimo della temperatura alla quale può essere esposto il trasduttore senza che si abbia un danneggiamento permanente dello stesso, ossia senza che le caratteristiche metrologiche vengano a variare. Variazioni della temperatura ambiente non solo determinano effetti sulle caratteristiche metrologiche statiche ma anche su quelle dinamiche. Infatti occorre che i valori forniti dal costruttore siano riferiti ad uno specifico campo di variazione della temperatura.

Tuttavia la temperatura manifesta effetti che possono anche essere significativi quando si abbiano sue variazioni a gradino.

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Effetti dovuti all’accelerazione

Gli errori causati dalla accelerazione possono manifestarsi sia direttamente sull’elemento sensibile, sia sugli elementi di connessione o di supporto e possono essere di entità tale da indurre deformazioni da rendere prive di significato le misure condotte.

In generale, i trasduttori mostreranno una sensibilità alle accelerazioni più rilevante secondo alcuni assi, è necessario quindi indicare la terna degli assi di riferimento scelta ed esprimere l’errore dovuto alla accelerazione.

Viene definito come errore di accelerazione la massima differenza tra l’uscita del sensore in assenza ed in presenza di una specificata accelerazione costante applicata secondo un determinato asse.

Infine è opportuno specificare che alcuni sensori mostrano una sensibilità alla accelerazione di gravità così che la disposizione del trasduttore rispetto al campo gravitazionale costituisce una importante condizione di vincolo.

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Effetti dovuti alle vibrazioni

La variazione della frequenza delle vibrazioni, applicate secondo uno specifico asse di riferimento, può determinare (ad esempio per fenomeni di risonanza, eccetera) rilevanti effetti nell’output del segnale fornito dal trasduttore.

Per esprimere in modo sintetico l’effetto dovuto alle vibrazioni occorrerà definire la variazione massima nell’output, per ogni valore della grandezza fisica in ingresso, quando una specifica ampiezza della vibrazione, e per un determinato campo di frequenze, è applicata secondo un asse del trasduttore.

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Effetti dovuti alla pressione ambiente

Talvolta si può verificare che il trasduttore debba operare in condizioni alle quali la pressione è significativamente diversa dalla pressione alla quale è stata condotta l’operazione di calibrazione, che in generale è pari alla pressione ambiente.

Pressioni relativamente diverse da quelle alle quali sono state condotte le prove di calibrazione possono determinare variazioni della geometria interna del trasduttore così da variare le caratteristiche metrologiche fornite dal costruttore.

Appare forse non necessario ricordare che risulta ben più grave uno scostamento dalle condizioni di calibrazione piuttosto che da un danneggiamento del trasduttore che, invece, è facilmente individuabile dallo sperimentatore.

Si definisce come errore dovuto alla pressione la massima variazione dell’output del trasduttore, per ogni valore della grandezza in ingresso compreso nel campo di misura, quando la pressione alla quale opera il trasduttore viene fatta variare in specificati intervalli.

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Effetti dovuti alla messa in esercizio del trasduttore

Si può presentare la circostanza in cui una non attenta messa in esercizio del trasduttore possa causare danni allo stesso (deformazioni della struttura, ad esempio) tali da variare le condizioni di funzionamento del trasduttore.

Ovviamente non sono disponibili dal costruttore dati relativi a detta causa di errore ed occorre che l’utente si assicuri dell’accurata e corretta installazione del dispositivo.