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1 Le basi della riferibilità internazionale delle misure Dalla Convenzione del Metro all MRA Giancarlo Marullo Reedtz Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (I.N.RI.M.) giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 1

2 Sommario Excursus storico Il Sistema Internazionale delle Unità (SI) Gli organismi della Convenzione del Metro Il ruolo dei Comitati Consultivi del CIPM Gli Istituti Nazionali di Metrologia (INM) e la riferibilità in una nazione Il Mutual Recognition Arrangement (MRA) fra gli INM Confronti di misura e gradi di equivalenza Riconoscimento mutuo delle capacità di taratura e misura (CMC) degli INM Conclusioni giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 2

3 Excursus / 1 26 marzo 1791: su proposta di una commissione nominata dall Accademia delle scienze (Borda, Condorcet, Laplace, Lagrange e Monge) l Assemblea Nazionale francese definisce il metro come 0,1x10-6 del quarto di meridiano passante per Parigi. Nei 7 anni seguenti Mechain e Delambre misurano il quarto di meridiano, da Dunkerque a Barcellona. Il 18 germinale dell anno III (7 April 1795) il sistema metrico decimale (metro, grammo, litro) è introdotto nella Francia rivoluzionaria con la legge dei pesi e delle misure. 22 giugno 1799: i campioni del metro e del chilogrammo sono depositati negli Archivi della Republica. Sistema metrico adottato in Olanda (1816), Francia (1837), Spagna (1849), America Latina (1860), Piemonte (1845), Regno d Italia (1861). Nel 1866 un Atto del Congresso americano definisce il sistema metrico lawful throughout the United States of America giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 3

4 Excursus / 2 20 maggio 1875: firma del Trattato del Metro da parte di 17 paesi : 30 campioni del metro e 43 campioni del chilogrammo sono fabbricati da un singolo lingotto in Pt-Ir. Dopo misure di confronto, uno è definito come campione internazionale, gli altri sono distribuiti ai firmatari del Trattato. 1889: prima Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure. Sono fondati: Physikalisch-Technische Reichsanstalt (1887, ora PTB), National Physical Laboratory (1900), National Bureau of Standards (1901, ora NIST). 1921: Trattato del metro emendato per includere le unità elettriche e fotometriche. 1 gennaio 1948: entra in vigore il sistema MKSA (metro, chilogrammo, secondo, ampère). 1954: la 10a CGPM delibera aggiunta del Kelvin e della candela. 1960: l 11a CGPM approva la denominazione di Sistema Internazionale di Unità (SI). 1971: 14a CGPM aggiunge la mole giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 4

5 Excursus / 3 In Italia: IENGF istituito nel 1935 come centro nazionale di alti studi nel campo delle discipline elettriche. IMGC istituito nel 1968, per fusione dell Istituto Dinamometrico Italiano e dell Istituto Termometrico Italiano, del CNR. 1991: legge 273 istituisce il Sistema Nazionale di Taratura. Sono Istituti Metrologici Primari: IENGF, IMGC-CNR, INMRI-ENEA. 1 gennaio 2006: nasce l INRIM, ente autonomo fusione di IENGF e IMGC. INMRI-ENEA rimane INM per le Radiazioni Ionizzanti giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 5

6 Il Sistema Internazionale (SI) oggi domani? giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 6

7 La Convenzione del Metro Paesi Membri della Convenzione: 51 Paesi Associati alla Convenzione: 27 Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (CGPM) formata dai delegati dei governi degli stati membri, si riunisce ogni 4 anni: valuta il lavoro svolto dal CIPM, approva risoluzioni di carattere scientifico (es. modifiche del SI), approva il budget del BIPM. Il Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure (CIPM) prepara la riunione della CGPM di cui esegue le deliberazioni, sovraintende all attività del BIPM, coordina l attività metrologica internazionale avvalendosi di Comitati di esperti (Comitati Consultivi) L Ufficio Internazionale dei Pesi e Misure (BIPM, 70 dipendenti, budget 10 Meu) svolge attività tecnico-scientifica a supporto della diffusione dell SI, coordina gli Istituti Nazionali di Metrolgia (INM) organizzando confronti di misura, riproduce egli stesso le unità di base e le dissemina ai membri della convenzione, svolge attività di ricerca in metrologia giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 7

8 Organi della Convenzione giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 8

9 I Comitati Consultivi del CIPM /1 Organi tecnici che raccolgono gli Istituti metrologici più avanzati in una determinata area. Discutono i risultati della ricerca internazionale, preparano raccomandazioni al CIPM su temi metrologici, avviano confronti chiave di misura e ne approvano i risultati, danno indicazioni sull attività del BIPM nella propria area. Primo CC fondato nel 1927 (CCE, ora CCEM) ultimo nel 1998 (CCAUV). Formano Working Groups permanenti o temporanei, per affrontare problemi specifici giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 9

10 I Comitati Consultivi del CIPM /2 CCAUV CCEM CCL CCM CCPR CCQM CCRI CCT CCTF CCU Acustica, Ultrasuoni, Vibrazioni Elettricità e Magnetismo Lunghezza Massa Fotometria e Radiometria Quantità di Sostanza Radiazioni Ionizzanti Temperatura Tempo e Frequenza Unità di Misura giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 10

11 Esempio: i gruppi di lavoro del CCEM WGLF Low Frequency measurements WGHF (GT-RF) High Frequency measur. WGACQHR AC Quantum Hall Resistance WGKG Monitoring the kg WGSI Proposed Changes to the SI WGRMO Regional Metrology Organisations WGSP Strategic Planning giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 11

12 I laboratori secondari e l accreditamento L Istituto Nazionale di Metrologia (INM) non può assicurare direttamente la riferibilità a tutti i potenziali utenti. Usualmente l INM fornisce la riferibilità ad un insieme di laboratori secondari, che operano come Centri di Taratura. Garanzia della qualità delle misure dei Centri è il sistema di accreditamento per l attività di taratura (in Italia sotto la sigla SIT, Servizio di Taratura in Italia), che fa riferimento alla norma ISO/IEC L accreditamento assicura circa la competenza dei Centri e la conformità del loro modo di operare alla norma: la valutazione si basa sia sui documenti dei Centri sia su confronti di misura con l INM. I sistemi di accreditamento nazionali collaborano in organismi internazionali per assicurare il mutuo riconoscimento dei certificati emessi nell ambito dell accreditamento (in Europa EA, European cooperation for Accreditation) giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 12

13 Equivalenza delle misure a livello globale L esigenza di assicurare la riferibilità delle misure è alla base della firma della Convenzione del Metro e dello sviluppo dell SI. Uno degli scopi del BIPM è sempre stato quello di organizzare periodici confronti di misura fra gli INM, con risultati pubblicati su rapporti tecnici interni e a volte su riviste scientifiche. Scopo principale dei confronti era essenzialmente quello di conoscere la differenza fra le unità di misura nazionali e verificare la bontà di eventuali nuovi riferimenti proposti. Più recentemente l importanza assunta dal mutuo riconoscimento dei certificati di misura nell ambito di un mercato globale (tested once and accepted everywhere) ha portato all obiettivo di garantire l equivalenza delle misure degli INM in modo sistematico, trasparente e documentato. Questa attività è svolta nell ambito di un accordo: il Mutual Recognition Arrangement (MRA) giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 13

14 Il Mutual Recognition Arrangement (MRA) L MRA, varato nell ottobre 1999, è stato promosso dal CIPM, ed è a partecipazione volontaria. E stato firmato ad oggi da 73 INM (45 Stati membri e 26 Economie e Stati associati alla CGPM), dalla IAEA e dal IRMM. Copre ulteriori 117 Istituti designati dai firmatari all interno dei propri paesi. E volto a: definire i gradi di equivalenza delle misure dei partecipanti assicurare il riconoscimento mutuo dei certificati di taratura e misura L MRA intende costituire la base tecnica per più ampie intese fra gli Stati in tema di commercio, di scambi internazionali e di attività normativa giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 14

15 MRA le basi tecniche Confronti internazionali di misura ( chiave e supplementari ) per valutare il grado di equivalenza dei campioni nazionali. Adozione da parte di ciascun INM di un sistema qualità per l attività di taratura e misura (ISO/IEC 17025) e dimostrazione di competenza (partecipazione all attività metrologica internazionale). Dichiarazione e mutua analisi, fra gli INM, delle proprie capacità di taratura e misura (CMC). Pubblicazione dei risultati dei confronti e della lista delle CMC in un data base (KCDB) ad accesso pubblico, gestito dal BIPM (http://kcdb.bipm.org) Ruolo fondamentale nell MRA hanno gli organismi metrologici regionali (RMO): EURAMET, COOMET, APMP, SIM, SADCMET giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 15

16 MRA: responsabilità e organizzazione L accordo impegna esclusivamente gli organismi firmatari (carattere tecnico e non diplomatico, senza implicazioni legali). E coordinato dal BIPM sotto l egida del CIPM. Responsabili per i confronti chiave e supplementari sono: i Comitati Consultivi (CC), gli organismi metrologici regionali (RMO) e il BIPM. Responsabile per il processo di mutua analisi delle CMC è il JCRB (Joint Committee of the RMOs and the BIPM) giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 16

17 Confronto chiave di misura giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 17

18 Confronti chiave e supplementari di misura I confronti chiave (key comparisons) riguardano le grandezze principali di un area di misura. Sempre decisi da un CC, iniziano con un confronto fra gli NMI partecipanti al CC (confronto CIPM) sotto il coordinamento di un laboratorio pilota e in base ad un protocollo concordato. Al termine viene valutato il valore di riferimento del confronto (key comparison reference value, KCRV). Ad ogni partecipante è attribuito un grado di equivalenza (DoE) dato dallo scostamento del suo risultato dal valore di riferimento e dall incertezza di tale scostamento (usualmente al 95%). I corrispondenti confronti regionali e bilaterali estendono, attraverso i partecipanti comuni, i DoE ad altri INM. Il KCDB fornisce i report finali dei confronti e i DoE dei partecipanti. I confronti supplementari sono promossi dalle regioni, non propongono DoE, ma il rapporto finale del confronto è anch esso pubblicato sul KCDB giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 18

19 Confronto chiave: capacità elettrica CCEM-K4 Misure: Pubblicato 2002 (KCDB). Pilota: NIST (USA) 4 campioni C=10 pf Condizioni di misura: 100 V, 1592 Hz, 25 C Lab. partecipanti: 11 INM (4 RMO) in due circolazioni Riferibilità: condensatore calcolabile (7), QHR (3), altro INM (1) A ogni partecipante sono inviati 2 campioni E richiesto: valore di C (25 C ± 1 m C) con bilancio completo di incertezza giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 19

20 Andamento del campione viaggiatore: punto delicato di molti confronti Interpolazione dei dati del laboratorio pilota: campione S/N 185 Si valuta la differenza di ogni lab. dal valore interpolato del pilota Dall andamento del campione si valuta l incertezza dovuta al trasporto giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 20

21 Calcolo del valore di riferimento (KCRV) e del grado di equivalenza (DoE) Media delle differenza di ogni lab. rispetto alla interpolazione del pilota (2 campioni viaggiatori per ogni lab.). Definizione di un unico risultato del pilota e quindi, dalle differenze precedenti, di un valore di capacità fittizio per ogni lab. Aggiunta all incertezza tipo di misura fornita dai lab. dell incertezza tipo dovuta al trasporto: u C2 L2 2 = u + u T KCRV: media pesata (1/ u C2 ) dei valori di capacità di quei lab. che riferiscono la misura al proprio condensatore calcolabile (indipendenza). Al KCRV è associata l incertezza della media pesata. DoE è lo scostamento della capacità fittizia di ogni lab. dal KCRV, con associata la corrispondente incertezza U (95%). Per i laboratori che hanno contribuito al KCRV si tiene conto nel calcolo di U della correlazione giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 21

22 Gradi di equivalenza giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 22

23 Confronto chiave: rapporti di tensione DC CCEM-K8 Misure: Pubblicato: 2003 (KCDB). Pilota: IEN (ora INRIM). Campione: divisore resistivo Datron 4902S. Lab. partecipanti: 15 INM (5 RMO). Riferibilità: non applicabile. Richiesti: rapporti di tensione DC 1000V/100V e 100V / 10V (più altri rapporti opzionali), con bilancio completo di incertezza e descrizione del metodo di misura (7 metodi diversi!) giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 23

24 Andamento del campione viaggiatore Interpolazione dei dati del laboratorio pilota per rapporto 100V / 10 V. Dalla deviazione standard della interpolazione si ottiene l incertezza dovuta al trasporto. Guasto all inizio del confronto. L andamento potrebbe essere dovuto allo stabilizzarsi della sezione resistiva sostituita giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 24

25 Calcolo del valore di riferimento (KCRV) Risultati normalizzati alla stessa temperatura e umidità. Alla incertezza fornita dai laboratori si aggiunge quella per le correzioni e quella per il trasporto del campione. Calcolo delle differenze rispetto alla interpolazione dei dati del pilota. Applicazione di un criterio robusto per individuare i risultati non compatibili. KCRV dato dalla media aritmetica dei dati rimasti. Incertezza data dalla deviazione standard della media. DoE dato dalla differenza di ogni lab. dal KCRV e dalla incertezza U della differenza (95%) giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 25

26 Criterio robusto per individuare i risultati non compatibili Calcolo della mediana delle differenze x i rispetto al pilota, x med (pilota partecipa con valore 0). Applicazione del criterio: ove: x i x med s(mad)= MAD > 2.5 s ( MAD ) MAD = mediana ( x i x med ) s(mad) è la dev. standard delle differenze nel caso queste abbiano distribuzione gaussiana J. Randa, documento GT-RF/ giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 26

27 Gradi di equivalenza giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 27

28 Capacità di taratura e misura (CMC) Ciascun INM propone alla propria RMO (EURAMET ecc.) le sue CMC, indicando le ragioni che le sostengono (riferibilità, risultati di confronti di misura, descrizione del metodo, ecc.). Le CMC devono essere coperte dal Sistema Qualità dell INM (procedura tecnica). Le CMC proposte sono sottoposte ad un gruppo tecnico della RMO di appartenenza. Le CMC approvate sono sottoposte all esame di almeno altre due RMO. Infine le CMC sono approvate da un apposito comitato congiunto formato dalle RMO e dal BIPM (JCRB) e pubblicate sul KCDB. Allo scopo di meglio organizzare la raccolta e l analisi delle CMC, in alcune aree si è proceduto ad una classificazione delle possibili capacità di misura giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 28

29 Classificazione di Elettricità e Magnetismo, cat. 1 1) DC voltage 2) DC resistance 3) DC current 4) Impedance 5) AC voltage 6) AC current 7) AC power 8) High voltage and current 9) Other DC & LF 10) Electric and magnetic fields 11) Radio frequency meas. 12) Meas. on materials giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 29

30 Tabelle delle CMC Nota MRA Questo certificato è coerente con le capacità di taratura e misura (CMC) che compaiono nell appendice C dell Accordo di mutuo riconoscimento (MRA) redatto dal Comitato internazionale dei pesi e misure (CIPM). Nell ambito dell MRA, tutti gli Istituti partecipanti riconoscono reciprocamente la validità dei certificati di taratura e misura per le grandezze, i campi di misura e le incertezza specificate nell appendice C (vedere giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 30

31 Conclusioni L evoluzione tecnologica e l integrazione fra le aree geografiche richiedono la fiducia nella equivalenza delle misure. Essa è oggi basata, a livello internazionale, sull adozione dell SI e sulle attività previste dall MRA. Le basi dell MRA sono i confronti di misura, l analisi reciproca delle capacità di misura dichiarate dagli INM, la trasparenza dei processi messi in atto. L attività di ricerca svolta dagli INM assicura che le capacità di misura e lo stesso SI siano sempre all altezza, e possibilmente un passo avanti, rispetto alle necessità applicative giugno 2008, XXVII Giornata della Misurazione - Le basi della riferibilità Internazionale delle Misure 31

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