Incertezza di misura e fattori di errore nelle bilance di precisione da laboratorio
L’analisi dell’incertezza di misura nelle bilance di precisione da laboratorio è importante per valutare l’affidabilità dei risultati di misura. Stimare l’incertezza non coincide semplicemente con la risoluzione nominale mostrata dal display dello strumento, ma è tenere conto delle diverse componenti che possono contribuire all’incertezza del risultato.
Tra i fattori che possono essere considerati rientrano, in funzione dello strumento e del metodo di misura, l’effetto dell’eccentricità del carico, la ripetibilità, l’errore di indicazione, la deriva nel tempo e con la temperatura, la risoluzione dell’indicazione e gli effetti di varie condizioni ambientali. In determinate applicazioni può inoltre essere necessario considerare l’effetto della spinta di galleggiamento dell’aria. La EURAMET Calibration Guide No. 18 tratta anche gli aspetti relativi al galleggiamento dell’aria nella calibrazione degli strumenti per pesare non automatici.
La densità dell’aria varia infatti in funzione della temperatura, della pressione e dell’umidità e può influenzare il risultato della pesata. L’importanza di questo elemento dipende dalle caratteristiche della misura e dall’incertezza tollerata. Nelle applicazioni più accurate può quindi essere necessario tenerne conto esplicitamente.
Masse campione e classi OIML R111 per la taratura e il controllo delle bilance
Per la taratura e i controlli metrologici delle bilance possono essere utilizzate masse campione con caratteristiche metrologiche adeguate allo scopo della misura.
La raccomandazione internazionale OIML R111 riguarda le masse (non le bilance) e ne definisce le classi di accuratezza, tra cui E1, E2, F1, F2, M1, M2 e M3.
Non è quindi corretto stabilire una corrispondenza automatica del tipo:
E1/E2 = bilance di classe I;
F1/F2 = bilance di classe II;
M1/M2/M3 = bilance di classe III.
OIML R111 specifica anche gli impieghi previsti per le diverse classi di masse, poiché la scelta della classe della massa deve essere effettuata in funzione dell’uso previsto, delle caratteristiche della bilancia, del metodo di taratura e dell’incertezza richiesta.
Per gli strumenti per pesare a funzionamento non automatico, la classificazione metrologica dello strumento è invece trattata, nel contesto OIML, dalla OIML R76 e comprende requisiti metrologici e tecnici relativi alla loro caratterizzazione.
Le masse utilizzate come campioni di riferimento devono avere caratteristiche metrologiche adeguate alla finalità della misura e una riferibilità coerente con il risultato che si intende ottenere. Quando richiesto dal sistema di qualità, dalla normativa, dal metodo o dalle esigenze dell’utilizzatore, può essere opportuno utilizzare masse accompagnate da un certificato di taratura emesso da un laboratorio competente e, quando necessario, accreditato.
La riferibilità metrologica non dipende semplicemente dalla presenza della parola “certificato”: deve essere possibile collegare il risultato di misura a un riferimento attraverso una catena documentata di tarature, tenendo conto dell’incertezza associata ai diversi passaggi della catena.
Metodi di pulizia e prevenzione delle cariche elettrostatiche sulle bilance elettroniche
L’accumulo di cariche elettrostatiche sul campione, sul contenitore o sulle parti vicine alla camera di pesata può provocare instabilità dell’indicazione e influenzare i risultati di pesata. L’effetto può essere particolarmente significativo con campioni o contenitori costituiti da materiali isolanti e con bilance ad alta risoluzione.
Per ridurre il problema è possibile, in funzione dell’applicazione e delle indicazioni del costruttore:
utilizzare un ionizzatore o un dispositivo antistatico appropriato
preferire, quando compatibile con il metodo di prova, contenitori che riducano l’accumulo di carica elettrostatica
evitare materiali e condizioni operative che favoriscano l’accumulo di cariche
mantenere condizioni ambientali stabili e compatibili con le specifiche dello strumento
pulire regolarmente le superfici della bilancia secondo le istruzioni del costruttore
Non è invece opportuno indicare un valore universale di umidità relativa valido per tutte le bilance né prescrivere uno specifico detergente o solvente senza verificare la compatibilità con i materiali dello strumento.
Sistemi di compensazione elettromagnetica e celle di carico estensimetriche
Le bilance elettroniche da laboratorio possono utilizzare differenti tecnologie di misura della forza. Tra quelle più diffuse si trovano i sistemi basati sulla compensazione elettromagnetica della forza (EMFR) e quelli basati su celle di carico estensimetriche.
Compensazione elettromagnetica della forza
Nei sistemi a compensazione elettromagnetica, il carico applicato viene bilanciato da un’azione elettromagnetica. Un sistema di rilevamento della posizione consente di regolare la corrente necessaria a mantenere l’elemento di misura nella posizione prevista.
Questa tecnologia può consentire elevata risoluzione e buona ripetibilità ed è ampiamente utilizzata nelle bilance da laboratorio ad alte prestazioni.
Le prestazioni effettive dipendono comunque dal design dello strumento, dall’elettronica, dal sistema meccanico, dalle condizioni ambientali e dalle modalità di utilizzo.
Celle di carico estensimetriche
Le celle di carico estensimetriche utilizzano elementi sui quali sono applicati estensimetri che trasformano la deformazione meccanica in una variazione elettrica misurabile.
Questa tecnologia è ampiamente utilizzata in numerosi strumenti di pesatura e può offrire soluzioni robuste e convenienti per applicazioni di laboratorio, industriali e di processo.
Non è però corretto associare una determinata tecnologia a una specifica categoria di utilizzo in modo assoluto: la scelta dipende dalle caratteristiche progettuali dello strumento e dai requisiti dell’applicazione.
Incertezza e prestazioni della bilancia
Per valutare una bilancia possono essere rilevanti, in funzione dell’applicazione:
ripetibilità
errore di indicazione
eccentricità
deriva nel tempo
influenza della temperatura
stabilità
risoluzione dell’indicazione
condizioni ambientali
effetto delle cariche elettrostatiche
effetto della spinta di galleggiamento dell’aria
massa minima di pesata
caratteristiche delle masse di riferimento utilizzate per la taratura
La risoluzione visualizzata sul display rappresenta soltanto uno degli elementi da considerare. La valutazione dell’incertezza deve quindi essere riferita allo specifico processo di misura e alle condizioni nelle quali la misura viene effettuata.
Una maggiore risoluzione dell’indicazione non garantisce automaticamente una minore incertezza. Analogamente, una bilancia con una buona ripetibilità può comunque presentare un errore di indicazione significativo.
Per questo motivo la scelta e la valutazione di una bilancia non dovrebbero basarsi esclusivamente sul numero di decimali visualizzati.
Riferibilità metrologica
Per garantire il collegamento del risultato di una pesata a un riferimento metrologico, è necessario considerare l’intera catena di tarature.
Secondo il VIM, la riferibilità metrologica è una proprietà del risultato di misura che permette di collegare lo stesso ad un riferimento attraverso una catena documentata e ininterrotta di tarature, nella quale ciascun passaggio contribuisce all’incertezza di misura.
Nel caso delle bilance, la riferibilità può coinvolgere lo strumento, le masse utilizzate per la taratura, le condizioni ambientali, il metodo di misura e le procedure adottate.
Per questo motivo non è sufficiente utilizzare genericamente un «peso certificato»: occorre verificare che le caratteristiche della massa e la relativa documentazione siano adeguate allo scopo della misura, tenendo conto, tra gli altri aspetti, del metodo di misura, dell’incertezza richiesta, dell’eccentricità e della massa minima.
Taratura e controlli della bilancia
La taratura consente di caratterizzare metrologicamente la relazione tra le indicazioni dello strumento e i corrispondenti valori di riferimento, nelle condizioni specificate. Non deve essere confusa con la regolazione, che modifica il comportamento dello strumento; la taratura ne caratterizza invece le prestazioni metrologiche. Dopo una regolazione può quindi essere necessario effettuare una nuova taratura per verificare le caratteristiche dello strumento.
Per la taratura degli strumenti per pesare non automatici, la EURAMET Calibration Guide No. 18 fornisce indicazioni relative, tra gli altri aspetti, ai metodi di misura, alla valutazione dell’incertezza, all’eccentricità, alla massa minima, alla correzione per il galleggiamento dell’aria e agli effetti della regolazione dello strumento.
Conclusioni
L’incertezza di misura di una bilancia da laboratorio non può essere dedotta semplicemente dalla risoluzione indicata sul display.
La valutazione deve considerare le caratteristiche dello strumento, il metodo di misura, le condizioni ambientali, le masse di riferimento e tutti gli altri fattori che possono contribuire al risultato.
Particolare attenzione deve essere prestata all’eccentricità, alla ripetibilità, alla deriva, alla temperatura, alle cariche elettrostatiche e, quando rilevante, alla spinta di galleggiamento dell’aria.
Anche la scelta delle masse di riferimento deve essere effettuata in funzione dell’applicazione, beninteso che le classi E1, E2, F1, F2, M1, M2 e M3 previste da OIML R111 sono classi delle masse e non devono essere confuse con le classi metrologiche degli strumenti per pesare.
Una corretta gestione metrologica richiede quindi di considerare l’intero sistema di misura e di documentare, quando necessario, taratura, riferibilità, incertezza e condizioni operative.