Torino 20 marzo 2013 Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia

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Carlotta Adamo
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1 Taratura di sensori meteorologici e stazioni automatiche Analisi delle incertezze

2 Taratura Costruire la curva di taratura di uno strumento significa dare riferibilità metrologica alle misure prese da tale strumento Si calcolano le differenze tra la misura effettuata dallo strumento campione (che deve essere direttamente riferibile ai campioni primari) e quella fatta dallo strumento in taratura Queste misure devono essere effettuate su tutto il campo di operatività dello strumento Interpolando tali misure si costruisce la curva di correzione T= T(T LETTA ) solitamente con un polinomio di grado 2 A partire da tale interpolazione e dai dati sperimentali si valuta l incertezza di taratura

strumento in taratura Queste misure devono essere effettuate su tutto il campo di operatività dello strumento Interpolando tali misure si costruisce la

3 Taratura T C T Capannina T C -T capannina / C / C / C -19, ,14-10,455-9,4-1,055-0,388 0,2-0,588 ΔT= -0,0003 T Cap_L 2 +0,0233 T Cap_L -0,6854 T Cap = T Cap_L + (-0,0003 T Cap_L 2 +0,0233 T Cap_L -0,6854) 14,924 15,3-0,376 30,241 30,5-0,259 39,965 40,1-0,135

4 Taratura VS confronto in situ La taratura deve essere effettuata in camera climatica Il Confronto in situ può essere fatto senza compiere alcun operazione sullo strumento sottoposto a test La taratura permette di correggere le letture e mantenere lo strumento in uso Il Confronto in situ porta ad una scelta esclusiva: se la lettura è inaccettabile lo strumento va cambiato La taratura deve essere effettuata sull intero range di lavoro dello strumento Il Confronto in situ viene fatto solo su un valore istantaneo

strumento in uso Il Confronto in situ porta ad una scelta esclusiva: se la lettura è inaccettabile lo strumento va cambiato La

5 Taratura VS confronto in situ Si osserva che, anche se il confronto in situ viene fatto tra due strumenti tarati, in condizioni di lavoro questi strumenti possono dare valori diversi

6 Mutue influenze tra i parametri Si rende necessaria una procedura di taratura che tenga conto di tutte possibili mutue influenze tra le grandezze in gioco E necessaria una camera climatica che permetta il controllo del massimo numero di parametri contemporaneamente

le grandezze in gioco E necessaria una camera climatica che

7 Camera climatica INRiM L INRiM grazie al progetto MeteoMet realizza un camera climatica che permette il controllo simultaneo di temperatura, pressione, umidità. V U O T O V U O T O

8 Camera climatica INRiM temperatura controllata per mezzo di termostato esterno e serpentina in rame avvolta nella camera

9 Camera climatica INRiM Controllo fine di temperatura per mezzo di un riscaldatore (foto)

10 Camera climatica INRiM Pressione controllata per mezzo di una linea di comunicazione con l esterno Il controllo di umidità lavora a pressione ambiente, per ora impossibile il controllo simultaneo di umidità e pressione

controllo di umidità lavora a pressione ambiente, per

11 Camera climatica INRiM: caratterizzazione Stabilità: La temperatura all interno della camera risulta stabile entro i 5 mk per tempi superiori ai 30 min se si utilizza il controllo fine -10,51-10,511-10,512-10,513-10,514-10,515 stabilità :15:00 11:30:00 11:45:00 12:00:00 Uniformità: Il gradiente interno alla camera, nella zona di misura, risulta al massimo nell ordine dei 10 mk/cm

-10,51-10,511-10,512-10,513-10,514-10,515 stabilità -10 11:15:00 11:30:00 11:45:00 12:00:00

12 La futura camera climatica a vento INRiM Per valutare anche l effetto del vento sulle altre misure è in via di realizzazione, presso l INRiM una camera climatica che permette il controllo simultaneo di: -Temperatura -Pressione -Umidità -Vento Sarà predisposta per contenere un simulatore di sole per valutare anche l effetto della radiazione

permette il controllo simultaneo di: -Temperatura -Pressione -Umidità -Vento Sarà

13 Un esempio pratico

14 Un esempio pratico Al fine di preservare la serie storica prima di asportare il termometro da tarare si è affiancata una seconda centralina. I due sensori hanno acquisito insieme per 10 giorni prima della taratura e per 13 giorni dopo la taratura.

15 Un esempio pratico La taratura è stata effettuata per mezzo del prototipo di camera climatica mobile realizzato presso l INRiM di Torino (solo controllo di T e P) All interno di tale camera sono stati posizionati contemporaneamente i due termometri da tarare Camera climatica Alloggiamento termometro campione SPRT 25

T e P) All interno di tale camera sono stati posizionati contemporaneamente i

16 Un esempio pratico La taratura è stata fatta su 6 punti di temperatura: -20 C, -10 C, 0 C, +15 C, +30 C, +40 C DT = -0,0003 T Cap_L 2 +0,0233 T Cap_L -0,6854 Differenza nella lettura di temperatura tra il termometro da tarare ed il termometro campione

17 Un esempio pratico La curva di taratura da importanti informazioni sulla qualità delle misure prese dallo strumento: A temperature estive le misure sono più vicine A temperature basse le letture si discostano di più (anche oltre il grado)

strumento: A temperature estive le misure sono più vicine A

18 Un esempio pratico Incertezza di taratura In fase di caratterizzazione della camera si rileva nella zona di misura un gradiente verticale di temperatura di 0,027 C/cm Un incertezza di 5 cm sulla posizione del sensore in taratura si traduce in un incertezza di 0,14 C sulla temperatura di riferimento. La disuniformitàtermica della camera è una fonte di incertezza nel processo di taratura La stabilità termica della camera nel tempo è molto inferiore alla sensibilità del sensore da caratterizzare Il contributo dovuto a questa quantità non compare nel bilancio di incertezza

19 Un esempio pratico Incertezza di taratura Residuo: differenza tra i valori misurati e la curva trovata. Minori sono i residui migliore sarà l applicazione della curva di taratura I residui sono parte del bilancio di incertezza R=TC-TTAR T CAP tarata TC R -19,20-19,14 0,06-10,33-10,455-0,12-0,48-0,388 0,09 14,90 14,924 0,02 30,25 30,241-0,01 39,87 39,965 0,10

Minori sono i residui migliore sarà l applicazione della curva di taratura I residui sono

20 Un esempio pratico Incertezza di taratura è stata trovata la curva di taratura: T Cap = T Cap_L +(-0,0003 T 2 Cap_L +0,0233 T Cap_L -0,6854) Per calcolare l incertezza su tale curva è necessario propagare ogni fonte di incertezza: -risoluzione del sensore da caratterizzare (0,1 C) -Incertezza sul posizionamento dei sensori e disuniformità termica nella camera climatica (0,14 C) -incertezza di taratura del termometro campione (0,001 C sovrastimata) -residuo massimo (0,12 C) Si ottiene: σ = 0,1 + 0,14 + 0, ,12 = 0, 21 C T

caratterizzare (0,1 C) -Incertezza sul posizionamento dei sensori e disuniformità termica nella camera climatica (0,14 C) -incertezza

21 Un esempio pratico Incertezza di taratura Per calcolare l incertezza su tale curva è necessario propagare ogni fonte di incertezza: -risoluzione del sensore da caratterizzare (0,1 C) -disuniformità termica nella camera climatica (0,14 C) -incertezza di taratura del termometro campione (0,001 C) -scarto massimo dei valori misurati dalla curva trovata (0,12 C) Per ridurre l incertezza di taratura sarà allora opportuno: - Aumentare la risoluzione del sensore da caratterizzare -Migliorare l uniformità termica nella camera climatica -Eventualmente associare una incertezza che sia funzione della temperatura (può essere utile costruire una curva di incertezza)

22 Un esempio pratico: Pressione P O = PO _ L+ ( 0, PO _ L + 0,0071 PO _ L 2 2,8801) U P = 0,1 + 0,1 + 0, 2 = 0, 2 hpa scarto dei valori misurati dalla curva trovata risoluzione del sensore da caratterizzare incertezza del barometro campione

23 Taratura in temperatura e pressione Procedura di taratura e valutazione dell influenza della temperatura sulle misure di pressione: I punti di temperatura sono -20 C, -10 C, 0 C, 15 C, 25 C, 40 C Per ogni punto di temperatura si prendono 7 punti di pressione: 910 hpa, 930 hpa, 950 hpa, 970 hpa, 990 hpa, 1010 hpa, 1030 hpa Per verificare che il barometro non sia soggetto ad isteresi i punti di pressione vengono fatti, ad ogni temperatura, sia in salita che in discesa Il range di temperatura e pressione sul quale viene calcolata la curva di taratura dipende dalla destinazione d uso dello strumento

24 Taratura in temperatura e pressione Esperienza in camera climatica: effetto della temperatura sulle misure di pressione

25 Qualità della misura Valutazione della curva di taratura utilizzo di dati tarati e costruzione di una curva di Valutazione della curva di taratura e della sua incertezza, utilizzo di dati Valutazione della curva di taratura ed utilizzo degli scarti come incertezza di misura dei dati grezzi RIGORE effettuate senza taratura Checkpuntuale delle letture Eventuale sostituzione dello strumento

26 Incertezza di misura L incertezza di taratura è una componente del budget finale di incertezza di misura Per calcolare l incertezza di misura è necessario tenere conto di tutti i possibili contributi: Incertezza di taratura Strumento di misura Misurando Processo di misura condizioni ambientali Campionatura è necessario definire il misurando in modo univoco Non ha senso misurare la temperatura di Torino al centesimo di C! Se il dato deve essere significativo di aree estese e tempi lunghi avrà un incertezza intrinseca (variabilità) maggiore dell incertezza strumentale di misura

27 GRAZIE DELL ATTENZIONE

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