Campioni di pressione e sensori Marina Sardi INRIM

Campioni di pressione e sensori Marina Sardi INRIM In qualità di Istituto Metrologico Primario l INRIM realizza e mantiene la scala delle pressioni, che copre l intervallo di valori tra 10-6 Pa (campo del vuoto o bassa pressione) e 10 9 Pa (alte pressioni), passando per il campo della pressione atmosferica (10 5 Pa) M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia Torino 20-03-2013 1

DEFINIZIONI e UNITA di misura della pressione 1) pressione in meccanica p=f/a= m g/a 2) pressione in un fluido p= ρ f g h ρ f= densità del fluido 3) nelle equazioni di stato p = - ( δh/δv) a T = cost della termodinamica H =funzione di energia libera di Helmoltz; V= volume noto ; T= temperatura termodinamica unità di misura SI : pascal - 1 Pa = 1N/m 2 [m 2 kg s -2 ] e suoi multipli e sottomultilpli (hpa, kpa, MPa, GPa...) altre unità di misura non SI : bar = 100000 Pa mbar = 100 Pa atm = 101325 Pa mmhg = 1 torr = 133,322 Pa mmh 2 O = 9,81 Pa psi = pound per square inch = 6894,76 Pa. M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 2

TERMINOLOGIA Si distinguono : la pressione assoluta ( riferita al vuoto di riferimento (0.1-0.01) Pa, in particolare la pressione atmosferica la pressione relativa o gauge pressure ( riferita alla pressione atmosferica) la pressione differenziale (generalmente riferita ad una pressione di linea costante) M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 3

IMPIANTI PRIMARI presso INRIM Basse pressioni da 10-6 Pa a 10-1 Pa da 10-1 Pa a 1 kpa da 1 Pa a 15 kpa Pressione atmosferica da 100 Pa a 120 kpa sistema ad espansione dinamica sistema ad espansione statica bilancia di pressione (modo assoluto e relativo) (mezzo : azoto) manobarometro interferometrico a mercurio per misure assolute e relative (mezzo: azoto) raccordo tra basse e alte pressioni Medie e Alte pressioni Da 1.4 kpa a 1.2 GPa Bilance di pressione (banchi manometrici ) in mezzo liquido o gassoso utilizzate sia in modo assoluto che in modo relativo, alcune di esse in configurazione per utilizzo in modo differenziale con differenti pressioni di linea. M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 4

Impianto ad espansione statica pv= cost legge di Boyle p= p 0 v/(v+v) noti i rapporti di espansione gas reale, fenomeni di adsorbimento e desorbimento Impianto ad espansione dinamica p= Q/C(1-p 1 /p 2 ) Q = flusso di gas C = conduttanza nota p 1, p 2 = pressioni agli estremi del condotto utilizzo di flussometri primari a pressione costante e variazione di volume; regime di moto molecolare M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 5

Sistema ad espansione statica 0,1 Pa - 1000 Pa Sistema ad espansione continua (10-6 Pa 0,1 Pa) M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 6

Schema generale di una bilancia di pressione Ae = area effettiva del pistone-cilindro M = masse caricate sul pistone-cilindro M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 7

Pressione misurata da una bilancia di pressione ρa ΣiMi Φ 1 g = 8000 p' + ρf g h Ao (1 + λp ) (1 + α( t 20)) ( patm,20 C ) n M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 8

Bilance di pressione da 0,1 MPa a 1 GPa in liquido (p relativa) da 6,5 kpa a 20 MPa in gas (p assoluta, relativa e differenziale) M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 9

Bilancia di pressione FPG da 1 Pa a 15 kpa 10

Manobarometro interferometrico a Mercurio HG5 Tubo ad U- progettazione INRIM (ex IMGC) p = p rif + ρ(t) g h p rif = pressione residua nel lato di riferimento ρ = densità del mercurio a temperatura t g = accelerazione di gravità nota (u rel < 1 10-7) h = dislivello tra i menischi del mercurio, misurato con interferometro laser, mediante riflessione diretta su Hg (cat s eyes), oppure utilizzando retroriflettori a spigolo di cubo Applicare correzione ad h per indice di rifrazione M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 11

Schema manobarometro HG5 M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 12

Cube cor Cube-corner retroreflector float M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 13

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Incertezza relativa u dei campioni primari di pressione Sistemi ad espansione da 5 10-3 a 10-4 Manobarometro HG5 da 10-4 a 0,5 10-5 Bilance di pressione da 8-10 ppm a 100 ppm M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 18

1E+0 Scala delle pressioni dell'imgc - Impianti primari incertezza estesa relativa 1E-2 1E-4 impianto esp. dinamica manometri a mercurio impianto esp. statica bilance in liquido bilance in gas 1E-6 1E-7 1E-5 1E-3 1E-1 1E+1 1E+3 1E+5 1E+7 1E+9 pressione / Pa M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 19

Attività nel laboratorio di Barometria dell INRIM Mantenimento e miglioramento del campione primario, Riferibilità a più di 20 barometri e trasduttori di pressione di precisione utilizzati presso i laboratori INRIM e centri accreditati nazionali Trasferimento tecnologico verso Istituti Metrologici Nazionali stranieri attraverso la progettazione e realizzazione di barometri e manometri differenziali in collaborazione con CENAM (Messico) - HG6 (fino a 120 kpa) SPRING (Singapore) MM2 (1-10 kpa) ITRI (Taiwan) - MM3 (1-20 kpa) M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 20

Mantenimento della riferibilità attraverso confronti chiave internazionali (CCM- EURAMET, bilaterali) sotto la supervisione del BIPM ed armonizzazione interna della scala di pressione) Adesione al MRA Mutual Recognition Agrement nel 1999 per il riconoscimento dei campioni di misura e dei certificati emessi dai laboratori nazionali CMC=Calibration and Measurement Capabilities: capacità di misura e taratura Sono contenute in un database del BIPM ed esprimono tutte le capacità di misura e taratura che i laboratori sono in grado di realizzare per le varie grandezze (contenente i dati sull incertezza che si è in grado di garantire a fronte di una taratura) M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 21

Campioni secondari di pressione Trasduttori di trasferimento e Sensori Vacuometri a ionizzazione (10-10 Pa 10-2 Pa) Vacuometri spinning rotor (10-2 Pa -10 Pa) Celle capacitive a membrana (0.1 Pa-100 MPa) Trasduttori a bilanciamento di forza o ad elica( 1 kpa -1 MPa) Trasduttori a struttura risonante SRG (5 kpa 10 MPa) Trasduttori piezoresistivi (10 kpa- 10 MPa) Trasduttori pressione forza (100 kpa-100mpa) M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 22

I barometri possono essere strumenti con all interno vari tipi di sensori, ma quelli più precisi sono a struttura vibrante e a bilanciamento di forza. Molto utilizzati sono attualmente quelli con sensore SRG silicon resonant gauge, che dopo la taratura sono in accordo con il campione primario entro pochi pascal, e se utilizzati con qualche accorgimento in laboratorio, pur variando nel tempo, mantengono correzioni limitate a poche decine di pascal, con incertezze entro 10 Pa, è consigliata una taratura annuale. I barometri utilizzati sul campo o nelle centraline sono ovviamente soggetti a maggiore variabilità e deriva nel tempo. M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 23

Valutazione dell incertezza di un trasduttore secondario di pressione Somma in quadratura di: Incertezza del campione primario Risoluzione Isteresi Linearità Ripetibiltà Curva interpolante dati sperimentali Applicazione della legge di propagazione dell incertezza per : grandezze di influenza (temperatura, vibrazioni, densità dei fluidi...) M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 24

Trasduttori di pressione in taratura su HG5 M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 25

Ricordiamo due grandi scienziati del passato Evangelista Torricelli Blaise Pascal M. Sardi Corso di Metrologia applicata alla Meteorologia 20-03-2013 26