1.1
La parola metrologia ha una lunga tradizione e deriva dalla parola greca per misurare.
È noto che la conoscenza di qualsiasi cosa è completa solo quando può essere espressa
in numeri e si sa qualcosa su di essa. Così, per ogni tipo di quantità misurata, ci deve essere
un’unità per misurarla ed esprimerla in numeri di quell’unità. Inoltre, affinché questa unità sia
seguita da tutti e non da uno solo che effettua le misurazioni, deve esistere uno standard universale
e le varie unità per vari parametri importanti devono essere standardizzate. Il parametro più importante in metrologia è la “lunghezza” che può essere misurata in diverse forme e in diversi modi.
Le misure giocano un ruolo vitale in ogni campo di indagine e il progresso scientifico e tecnologico attuale è il risultato del progresso nel campo delle misure. In generale,
le misurazioni sono fatte per aumentare la nostra conoscenza e comprensione del mondo con lo scopo di
condurre una vita migliore. La scienza delle misure è vitale per il commercio e gli scambi ed è la base della moderna
scienza e tecnologia.
Nella metrologia, che letteralmente è la scienza delle misure, dobbiamo fare un passo avanti
e preoccuparci anche della correttezza della misura. Dobbiamo vedere se il risultato
è dato con la correttezza e la precisione sufficiente per il bisogno particolare o no. Quindi ci preoccupiamo soprattutto dei metodi di misurazione basati su unità e standard concordati. La metrologia
si occupa quindi di stabilire, riprodurre, conservare e trasferire le unità di
misura e i loro standard. La pratica della metrologia comporta misure precise
che richiedono l’uso di apparecchiature e attrezzature (strumenti e accessori necessari) per permettere di ottenere il
grado di precisione richiesto.
La metrologia, la scienza delle misure, comprende tutti gli aspetti sia teorici che pratici
con riferimento alle misure, qualunque sia la loro incertezza, e in qualunque campo della scienza o della
tecnologia si presentino. Così la metrologia è anche la scienza della misurazione associata alla
valutazione della sua incertezza. È importante capire che solo misurare non è la specificità
della metrologia, ma il nucleo della metrologia sta nella convalida del risultato, in particolare specificando
le sue reali limitazioni. La metrologia non si limita solo agli standard di lunghezza e massa, ma anche ad altri
parametri in settori di interesse sociale, come la salute, la sicurezza e la protezione dell’ambiente.
La padronanza della scienza della misurazione è un prerequisito per il progresso della scienza stessa.
La produzione industriale e molti campi della vita richiedono attività ad un alto livello scientifico e tecnico
al quale qualsiasi progresso raggiunto deve essere realizzato dal progresso della metrologia. La
crescente automazione della fabbricazione richiede il più alto livello di precisione. Bisogna ricordare
il famoso detto che la conoscenza dell’uomo della natura, dell’universo e di come adattare la natura ai suoi
scopi, avanza di pari passo con la sua capacità di misurare con precisione.
Il metrologo deve capire i principi di base per essere in grado di progettare e sviluppare
nuovi strumenti e anche di usare gli strumenti disponibili nel modo migliore. La metrologia si occupa quindi
anche dei metodi, dell’esecuzione e della stima della precisione delle misure; gli
strumenti di misura e gli ispettori. Gli standard odierni di precisione e affidabilità sono così elevati
che gli istinti e i sensi di base dell’uomo sono inadeguati a farvi fronte”. A tal fine, è necessario utilizzare
strumenti di misura di precisione e vari tipi di calibri e comparatori convenzionali e sofisticati
.
Quindi si può dire che la metrologia si occupa principalmente di (i) stabilire le unità di
misura, riprodurre queste unità sotto forma di standard, e assicurare l’uniformità delle
misure, (ii) sviluppare metodi di misurazione, {Hi) analizzare la precisione dei metodi di
misura, stabilire l’incertezza della misurazione, ricercare le cause degli
errori di misurazione ed eliminarli.
In senso più ampio, la metrologia non si limita alla misurazione della lunghezza, ma si occupa anche
del controllo industriale e delle sue varie tecniche. A causa della grande rivoluzione industriale e del grande progresso, il controllo industriale non significa semplicemente l’adempimento delle specifiche stabilite dai produttori. Piuttosto, l’ispezione in senso reale riguarda il controllo di un prodotto in varie fasi della sua fabbricazione, dalla forma della materia prima ai prodotti finiti e persino alle parti assemblate sotto forma di macchina. Il controllo viene effettuato con calibri
e il metrologo si occupa intimamente della progettazione, della fabbricazione e del collaudo di calibri
di tutti i tipi. La metrologia dinamica si occupa di misurare piccole variazioni di natura continua.
La scienza della misurazione oggi si è sviluppata fino ad arrivare ad apparecchiature controllate e azionate elettronicamente,
sistemi assistiti da computer per il monitoraggio in linea, strumenti opto-meccanici, laser e a fibre ottiche, ecc.
Per quanto riguarda la misurazione delle lunghezze (controllo dimensionale), ci occuperemo delle misure lineari non di precisione e di precisione e studieremo i vari strumenti utilizzati per questo
scopo. Anche la standardizzazione delle varie unità è importante e studieremo quali sono i
vari standard per le misure lineari e come si cerca di preservare e mantenere
questi standard. Vedremo anche come lo standard delle onde luminose ci aiuta a eliminare gli standard
materiali. Per misure molto precise, i metodi basati sui fenomeni di interferenza delle onde luminose
formeranno anche un capitolo a parte.
Le attività metrologiche iniziano con l’istituzione di standard di misura, la valutazione di
vari parametri fisici, incluse le dimensioni, lo sviluppo di strumenti e tecniche di misura e la calibrazione di apparecchiature di prova e misura. Tutto questo è essenziale per una corretta misurazione operativa per la qualità e i prodotti e servizi forniti dall’industria. L’industria odierna non richiede solo la realizzabilità una tantum, ma mira alla conformità che coinvolge aspetti come la ripetibilità, la riproducibilità, l’intercambiabilità, di moltissime dimensioni e caratteristiche e la loro evidenza, per la fiducia sia dei produttori che dei clienti. Questo è possibile tramite
la creazione di standard e tecniche di misurazione.
A causa della produzione di massa, ci si può rendere conto molto facilmente che non è possibile misurare i
vari elementi di un componente con metodi convenzionali. Così altri dispositivi, cioè calibri e
comparatori saranno studiati in dettaglio. Inoltre non è consigliabile misurare tutti i componenti nella produzione di massa se escono da macchine automatiche. Si vedrà che l’ispezione di alcuni componenti di un grande lotto è sufficiente sotto lo studio del controllo statistico della qualità, la cui conoscenza è molto essenziale al giorno d’oggi.
Per quanto riguarda l’assemblaggio e il montaggio dei vari componenti, un sistema di limiti e adattamenti deve essere seguito dappertutto e studieremo lo standard indiano per “Limiti e adattamenti”. Per i prodotti assemblati in forma di macchina, è essenziale che i movimenti relativi delle varie parti della macchina avvengano nel modo desiderato. A questo scopo lo studio delle prove di allineamento delle macchine utensili è molto essenziale.
Molte volte nella produzione reale, la misura dell’angolo presenta un grande problema e la sua
comprensione approfondita e le varie tecniche coinvolte in essa e la divisione circolare formano una parte
importante della metrologia. A volte ci imbattiamo in varie misure che sono veramente
tipiche e problemi di questo tipo possono essere facilmente risolti con l’aiuto di alcune relazioni trigonometriche
. Tali misure saranno studiate nel capitolo delle Misure Varie.
Si può sottolineare qui che l’uomo deve maneggiare vari strumenti e il senso del tatto
gioca un ruolo molto importante. Affinché tutte le persone ottengano le stesse letture per un componente dallo stesso strumento, lo strumento dovrebbe essere progettato in modo tale che sia sempre applicata una pressione costante tra il componente e lo strumento. Inoltre lo strumento deve essere tenuto in modo tale che il
senso del ‘sentire’ presente nella mano sia libero di dare una decisione corretta. Tuttavia, nelle macchine universali, si tenta di eliminare gli errori umani dovuti ai diversi sensi del tatto e della sensazione.
Buone macchine e il loro corretto funzionamento richiedono ottime superfici finite e quindi lo studio della finitura superficiale e dei vari metodi per stimarla quantitativamente è molto essenziale. Lo strumento più comunemente usato dal metrologo è il “comparatore”, che sarà studiato in dettaglio separatamente. Anche le prove dei calibri e le misure dinamiche meritano tutta l’attenzione.
Affronteremo anche la misura della filettatura delle viti e la misura degli ingranaggi e
le misure per la filettatura delle viti, poiché questi sono i pezzi più popolari che si incontrano in un’officina e
nelle macchine.
Un capitolo è anche dedicato ai controlli non distruttivi dei metalli e delle leghe per familiarizzare
con quei metodi che non distruggono il materiale e allo stesso tempo controllano tutte le
proprietà desiderate ed esaminano la struttura interna dei materiali per l’omogeneità.
C’è una grande consapevolezza sulla qualità e le industrie stanno adottando l’approccio del Total
Quality Management. I capitoli sono stati quindi dedicati ai programmi di garanzia della qualità e alla gestione totale della qualità con riferimento a ISO 9000. Un capitolo è anche dedicato ai sistemi di visione artificiale.
In senso più ampio, la metrologia (la scienza e l’arte della misurazione di precisione, delle prove e della valutazione) è la scienza madre dello sviluppo tecnologico. I progressi dell’industria
dipendono, in larga misura, dalla qualità e dall’affidabilità dell’accuratezza dimensionale e della precisione
misura di altre caratteristiche fisiche.
1.1.1.

Metrologia Legale.

La metrologia legale è quella parte della metrologia che tratta le unità di
misura, i metodi di misurazione e gli strumenti di misurazione, in relazione ai
requisiti legali, tecnici e giuridici. Assicura la sicurezza e la precisione appropriata delle
misure. La mancanza di legislazione su varie misure porterà a una grande incertezza.
La metrologia legale è diretta da un’organizzazione nazionale, cioè il Servizio Nazionale di Metrologia Legale
il cui scopo è di risolvere i problemi di metrologia legale in un particolare paese. Le sue funzioni
sono di assicurare la conservazione degli standard nazionali e di garantire la loro accuratezza attraverso il confronto
con gli standard internazionali; e anche di impartire la giusta accuratezza agli standard secondari del
paese attraverso il confronto con gli standard internazionali.
L’organizzazione contemporanea della metrologia include un certo numero di organizzazioni internazionali, cioè (a) l’Organizzazione Internazionale dei Pesi e delle Misure: e (6) il Servizio Nazionale di Metrologia Legale il cui obiettivo finale è di mantenere l’uniformità delle misurazioni in tutto il
mondo.
Le attività del servizio di metrologia legale sono: controllo (test, verifica, stand-
ardisation) degli strumenti di misura; test di prototipi/modelli di strumenti di misura;
esame di uno strumento di misura per verificare la sua conformità ai requisiti di legge, ecc.
La metrologia legale ha applicazione in :
(i) transazioni commerciali (quantità netta)
(ii) misurazioni industriali (controllo adeguato sulla precisione della misurazione, in modo da garantire
l’intercambiabilità al fine di promuovere la produzione di massa.
(iii) misurazioni necessarie per garantire la salute pubblica e la sicurezza umana.
Una legge nazionale relativa alla metrologia legale copre i seguenti punti :
(i) Unità legali di misura. Nel 1976, il Parlamento ha promulgato una legge completa, lo
Standards of Weights and Measures Act 1976, per stabilire il Sistema Internazionale di Unità (SI),
per regolare il commercio interstatale di pesi e misure, e per provvedere ad altre questioni
importanti dal punto di vista della protezione del consumatore.
(ii) presentazione fisica delle unità legali ;
(Hi) gerarchia delle norme – la loro manutenzione e custodia;
National Standards (Echelon-I)
Reference Standards (Echelon-II)
Secondary Standards (Echelon-Ill A)
Working Standards (Echelon-Ill B)
(iv) specifiche o regolamenti tecnici degli strumenti di misura per quanto riguarda i loro
requisiti metrologici e tecnici ;
(v) controllo metrologico sugli strumenti di misura; (approvazione del modello, verifica iniziale,
verifica periodica; verifica dopo le riparazioni, controllo dell’utilizzazione degli strumenti di misura)
(vi) controllo metrologico sulle merci preconfezionate ;
(vii) controllo sulla fabbricazione, riparazione e vendita degli strumenti di misura ;
(viii) organizzazione/servizio interessato alla metrologia legale ;
(ix) imposizione e riscossione di tasse ;
(x) sanzioni per le infrazioni ;
(xi) formazione del personale.
1.1.2.

Metrologia deterministica.

Si tratta di una nuova filosofia in cui la misurazione del pezzo è
sostituita dalla misurazione del processo. Nella metrologia deterministica, si sfrutta appieno la natura
deterministica delle macchine di produzione (le macchine sotto controllo automatico sono totalmente deter-
ministiche nelle prestazioni) e tutti i sottosistemi di produzione sono ottimizzati per mantenere
la prestazione deterministica entro livelli di qualità accettabili. In questa scienza, i processi del sistema
sono monitorati da sensori di temperatura, pressione, flusso, forza, vibrazione, “finger printing” acustico,
questi sensori sono veloci e non intrusivi. Vengono applicate nuove tecniche come la compensazione degli errori 3D da parte di
sistemi CNC (Computer Numerical Control) e sistemi esperti, che portano a un controllo completamente
adattivo. Questa tecnologia è utilizzata per macchinari di produzione di altissima precisione e sistemi di controllo per raggiungere precisioni di microtecnologia e nanotecnologia.