Elementi di misure elettroniche - Appunti

Elementi di misure, appunti delle lezioni 1

B. R : “L

USSEL A MISURA È UNA EMPIRICA E OGGETTIVA ASSEGNAZIONE

”

DI NUMERI A QUALITÀ ED OGGETTI INERENTI AL MONDO REALE

Concetto di qualità

Noi ci muoviamo in ambico tecnico e scientifico, quindi dobbiamo definire quaità in ambito scientifico

(lunghezza, peso..)

Devono essere qualità condivise, altrimenti non sono scientificamente trattabili.

La qualità entra a far parte della scienza quando B. Russel definisce la misura.

Il concetto di qualità è formato come regola

oggettiva per la classificazione di aspetti

empiricamente osservabili di un insieme di oggetti

oggettive

mediante una famiglia di relazioni

individuabili in tale insieme.

Tutto ciò che cerchiamo di fare in ambito tecnico e scientifico ha a che fare con la rappresentazione del mondo reale.

Un’equazione è la rappresentazione della realtà, una proiezione in ambito numerico, non è la realtà.

Si utilizza una proiezione in ambito numerico per una necessità riferita alla scienza. La scienza per definizione galileiana,

è quella parte della filosofia che ricade sotto il principio di non contraddizione.

Partendo da questa posizione, una volta proiettata la natura sui numeri, che sono gestiti dalle leggi matematiche sotto il

principio di non contraddizione, questi possono rappresentare (non sono) la realtà. Formano una rappresentazione

della realtà.

Sorge però un problema: la natura è complicata. Come si può proiettare qualcosa su un numero? È quello che fanno i

misuristi a partire da una definizione filosofica. I misuristi cercano di risolvere quello che operativamente i filosofi non

potrebbero risolvere. La Misura è una empirica , oggettiva , assegnazione di

numeri a qualità di oggetti e ad eventi del mondo

reale. Bertrand Russel

Nella definizione di Russel i termini “empirica” ed “oggettiva” sembrerebbero in contraddizione, ma in realtà non lo

sono.

Empirico = arbitrario (lo scienziato però deve sempre dire quello che fa per farsi capire oggettiva): una volta definita

Æ

una grandezza arbitrariamente, sono vincolato a rispettare dei parametri oggettivi (precedenza…).

Attenzione: la definizione empirica di una grandezza è possibile per un solo oggetto, quando ne ho un

secondo, la misura di questo deve essere coerente con quanto detto in precedenza.

Qualità = la definizione di una qualità è una definizione di genere, di specie. Le prime qualità definite sono state tutte

meccaniche. La definizione delle qualità è un problema anche sociale. Quando abbiamo definito lunghezza,

massa… dobbiamo essere tutti d’accordo. Il concetto di qualità si evolve nel tempo (la definizione di metro

del 1700 è diversa da quella di oggi). Le leggi che legano, nella scienza, le qualità, permettono

Misura e Misurazione quella che viene chiamata la “misura indiretta”, e che ci

che i metrologhi

autorizza a ridurre il numero di “misure”

debbono eseguire, che sono di particolare difficoltà.

La misura è la descrizione dell’oggetto sul quale è

stata individuata la qualità alla quale è stato Per poter eseguire una qualsiasi misurazione, è necessario

attribuito un valore numerico: è la misura assoluta avere uno schema di riferimento di misure standard che

che possono mettere in atto solo gli enti metrologici abbia anche un fondamento legale.

indicati dalla Legge Questo ultimo punto richiede una particolare attenzione,

Ciò che normalmente viene fatto nella attività di tutti i da parte di un ingegnere, perché sulle misurazioni vengono

giorni è una misurazione, che consiste nella prese decisioni di ordine produttivo, contrattuale, legale

utilizzazione dei campioni (misurati dagli enti etc.

metrologici) che sono oggetti confrontati in ambito

materiale con l’oggetto sul quale è stata individuata la In Italia il sistema legale di misura è quello Internazionale

qualità al quale si vuole attribuire un valore numerico adottato con la Legge 122 del 14/4/1978

Due oggetti identici sono proiettati sullo stesso numero.

Due oggetti possono essere identici (rispetto ad una definizione di qualità), non uguali, solo due numeri possono essere

uguali, un oggetto può precedere, non essere maggiore (un numero può essere maggiore di un altro)… gli oggetti

possono essere combinati e non sommati, però la combinazione può essere proiettata nell’ambito della somma.

Elementi di misure, appunti delle lezioni 2

Quando proiettiamo la realtà nell’ambito nei

Sistemi di unità di misura numeri non facciamo un’operazione del tutto

corretta: in natura esiste la somma ma non

L’individuazione di “campi” quasi autoconsistenti nell’ambito della esiste la differenza, quindi quando

scienza, collegati fra loro, suggerisce un sistema di unità di misura non proiettiamo la natura su certe grandezze

minimale. dobbiamo stare attenti, perché dobbiamo

.

ric

ett vedere se le differenze corrispondono a

l

E

Statica Quasi “autoconsistente” I numeri sono i numeri, la

grandezze reali.

significa che il campo in cui si natura è un’altra cosa , quando proiettiamo la

Cinematica opera, potrebbe essere isolato natura sui numeri facciamo un escamotage e

ca dagli altri con un suo set di

i

im ca

Ch quando impostiamo delle equazioni,

Termodinamica mi leggi specifiche.

a

n

Di dobbiamo sempre tenerlo presente.

sa

o

n

mi Quasi mai sono sicuro del numero che devo

t.lu

n

i assegnare ad una certa grandezza. Quando

prendo informazioni su un oggetto, non avrò

mai un’informazione infinitamente accurata,

Quella sopra presentata è una schematizzazione dei campi quasi autoconsistenti, quindi avrò sempre una conoscenza limitata

nei quali si può pensare diviso il mondo scientifico attuale. rispetto ad una determinata definizione.

Le leggi ponte sono normalmente leggi legate alla espressione della “forza” Quando proietto in ambito numerico una

nell’ambito particolare su cui si opera. grandezza, devo dire quanto questo numero

è accurato. Una misura consiste di due numeri: la proiezione in ambito numerico e l’incertezza.

Sistema Internazionale

Unità base Campione m

2 Pascal

Pa

CGPM Lunghezza Metro [m] pressione

Area

1984 J Joule

CGPM Energia,

Massa Chilogrammo [Kg] Forza Newton

1901 lavoro,qu

N antità di

calore

Velocità Accelerazione

CGPM Tempo Secondo [s] m/s

1967 m/s 2

Temperatura Kelvin Watt

potenza

W Tesla

CGPM Quantità di sostanza Mole [mol] Henry Weber T

Densità

1967 di flusso magnetico

H Wb Flusso Volt

magnetico

Induttanza

CGPM Corrente elettrica Ampere [A] V

1948 Coulomb Farad Potenziale

C F

Intensità luminosa Candela [cd]

CGPM elettrico

Carica Capacità

1972 elettrica Resistenza elettrica

Ω

Unità supplementari S Lux

Angolo piano Radiante [rad] Conduttanza

lm lx

Flusso Illuminanza

luminoso

Angolo solido Steradiante [sr]

Metodi di misura I metodi di misura di confronto non diretto (o indiretto), sono

molteplici • metodi di sostituzione

• metodi differenziali

I metodi di misura più frequentemente usati sono quelli a

confronto diretto, per “comparazione” materiale e diretta • metodi di coincidenza

con gli standard che sono a disposizione. • metodi di zero

• metodi complementari

• metodi di risonanza

Il sistema di “comparazione” è dettato dalla stessa Per ciascuno di essi esiste una definizione precisa che indica

definizione della qualità che deve essere sottoposta a strettamente le procedure che debbono essere messe in opera per

misurazione ottenere la proiezione numerica cercata.

La qualità è una regola oggettiva per la classificazione di aspetti empiricamente osservabili. Ci sono delle qualità che

hanno delle relazioni proprie (es.: non posso dire “un colore è + grande dell’atro, posso dire solo se sono uguali”). I

valori di qualità che si pongono sono convenzionali. Gli esseri umani non conoscono le qualità tutte nella stessa maniera

(le grandezze elettroniche non si conoscono come le lunghezze, i metrologi al massimo fino alla sesta cifra).

Cosa succede quando non sono sicuro di una misura che devo dare ad una grandezza? È possibile avere

un’informazione infinitamente accurata di un determinato oggetto? Assolutamente no perché avremmo bisogno di tutti

Elementi di misure, appunti delle lezioni 3

i numeri dell’universo per poterla rappresentare, quindi abbiamo sempre una conoscenza limitata rispetto ad una

definizione. Quando proietto in ambito numerico una grandezza, quindi, gli attribuiamo un numero e dobbiamo dire

anche quanto questo numero è accurato, ovvero quanto l’informazione che diamo è significativa.

Ogni misura ha bisogno di due numeri: la proiezione in ambito numerico e l’incertezza.

Il concetto di qualità che si pone in una misura è assolutamente una convenzione. L’uomo non ha la stessa percezione

intuitiva di tutte la qualità: quella che intuisce meglio è il tempo, poi la lunghezza… massa… corrente… Le grandezze

elettroniche si conoscono male: non più della sesta cifra.

Misurazione : quando proietto in ambito numerico una grandezza e ne faccio una misura, in che consiste la misura

(assoluta)? È una descrizione. Fare una misura significa prendere l’oggetto e descriverlo nei minimi

particolari. Ciò non è sempre possibile, quindi le misure le fanno solo gli istituti metrologi, che fanno i

campioni e gli standard. Dobbiamo avere il minor numero di misure possibili. Quello che noi facciamo è

la misurazione: prendere un numero di elementi standard (quelli descritti dai metrologi) e con quelli (che

hanno una proiezione in ambito numerico) costruire le altre proiezioni numeriche.

Non si possono costruire un insieme di standard per tutte le qualità che ci vengono in mente. Per questo noi sfruttiamo

l’impalcatura di relazioni tra le qualità che costituiscono le leggi della scienza. Una legge, a livello elementare, è

costituita almeno di tre grandezze legate, solitamente, da prodotti o rapporti. Si può dimostrare che il numero di qualità

meno il numero delle leggi che si possono definire è pari a quattro, quindi ci sono quattro grandezze indipendenti

attraverso cui si possono costruire le altre con le leggi. Teoricamente basterebbe fare i campioni (misure) su quattro

qualità per risolvere ogni problema.

Conoscere la qualità della misurazione è la parte più difficile della misurazione stessa.

In realtà usando solo quattro unità di misura c’erano delle incongruenze, ad esempio la resistenza si misurava in metri al

secondo. Quello che succede è che quando si proietta la realtà in ambito matematico, è corretto da un punto di vista

matematico, ma la realtà è differente.

Dal 1960 si è capito che la scienza si sviluppa attraverso sei (sette) campi autoconsistenti (tre appartenenti alla

meccanica, una alla elettricità, uno alla chimica, uno alla termodinamica). Per questo si sono stabilite sette unità di

misura, una per ogni grandezza (quelle del sistema internazionale, che in Italia è anche legale dal 1968).

Un contratto è annullabile se non si usano unità di misura non contemplate nel SI.

Queste definizioni di qualità sono in continua evoluzione (la definizione di metro è diversa da quella di Galileo).

Situazione normativa: esistono delle regole e norme che regolano ogni struttura. Esistono degli enti definiti a livello

internazionale, europeo e nazionale che stabiliscono queste regole e norme. Alcune norme sono leggi giuridiche altre

sono leggi di mercato.

Quando si realizza un oggetto si fanno le misure che determinano il corretto funzionamento dell’oggetto in base agli

standard. Ogni oggetto deve avere un certificato di calibrazione rilasciato da un centro SIT autorizzato. Gli strumenti

devono essere mantenuti secondo le norme, quindi anche i centri SIT devono essere certificati da appositi centri che

accreditano altri centri. Ci sono istituti che si occupano della sicurezza degli operatori, che a loro volta devono essere

certificati per lavorare in questi centri.

Sappiamo che per fare una misurazione abbiamo bisogno di uno standard, ma una volta definito lo standard, do per

scontato che già sappiamo quello di cui stiamo parlando (devo avere lo standard giusto). Quando si fa una misura, è

l’essere umano che giudica lo strumento che dà l’informazione. Sarebbe bello che in elettronica il sistema dicesse quanto

è buona l’approssimazione. Molte volte gli strumenti ce lo dicono, ma solo sotto alcune ipotesi progettuali, che a volte

non possono essere verificate. Normalmente abbiamo bisogno del manuale dello strumento che

Automazione del processo di misurazione ci dice in che condizioni e sotto quali ipotesi lo strumento è stato

Lo strumento è un sistema che proietta progettato. In questo modo possiamo decidere se la sua

automaticamente in ambito numerico la qualità proiezione è accettabile o meno: è sempre l’essere umano che alla

individuata sull’oggetto di misura, automatizzando fine giudica.

le operazioni di confronto con gli standard ed i Avere uno strumento molto accurato e usarlo in condizioni non

campioni che esso possiede. ottimali può portare a degli errori. Le condizioni ottimali sono

sempre fornite dal costruttore. Più lo strumento è accurato, più le

Essendo un sistema, l’operazione di proiezione condizioni sono restrittive.

automatica della qualità in ambito numerico,

avviene attraverso l’equilibrio energetico tra lo Il paradigma elettrico è questo: siamo esseri meccanici che hanno

strumento e l’oggetto di misura e del cambiamento sensibilità sulla parte meccanica e non in quella elettrica e

di stato si da conto attraverso la scala di misura che magnetica. Non abbiamo la capacità di proiettare in ambito

esso possiede e che permette la lettura della numerico grandezze elettriche.

proiezione Lo strumento, quindi, non ha solo la valenza di realizzare una

proiezione in ambito numerico, ma è anche un estensore dei sensi.

Per ogni misura e/o misurazione occorre tempo! Noi non potremmo mai distinguere 1 volt da 1.5 volt. Noi ci

dobbiamo fidare dello strumento.

Elementi di misure, appunti delle lezioni 4

Io ho costruito lo strumento secondo un modello, quindi può essere affetto solo da difetti costruttivi. Due strumenti

non saranno mai identici perché i modelli non saranno mai esaustivi per tutte le possibili variabili. Anche

meccanicamente è impossibile fare due strumenti uguali.

Come si fa a definire la qualità di una misura? Con l’incertezza

Si parte sempre dalla parte statistica (casuale) per poi arrivare a quella

deterministica Può essere diminuita.

La parte statistica, al contrario di quella

stocastica

Trattabile dopo

l’elaborazione Trattabile con

statistico-stocastica

Eliminabile tramite metodi statistici e

Calibrazione stocastici

Incertezza Incertezza Incertezza casuale Incertezza casuale

deterministica deterministica derivata dalla derivata da

derivata da derivata da metodi approssimazione di

qualità in ingresso

realizzazione pratica operativi modello

Giustezza Precisione

È strutturale dello strumento e

non si può conoscere. Nel

modello

Incertezza globale non si può considerare tutto il

modello. Più leggi coinvolge

Definisce la bontà di una misurazione più si

avvicina alla realtà.

Questo crea dei problemi perché io essere umano non posso avere un’accuratezza infinita nell’estendere i miei sensi,

però ho gli standard costruiti dal sistema internazionale che posso usare per correggere a posteriori ciò che ho sbagliato

calibrato (attenzione: non tarato, il sistema viene tarato).

nel costruire lo strumento: lo strumento può essere

Gli strumenti di alta qualità sono tutti calibrati.

Calibrazione = ho un sistema relazionale empirico in cui ho un insieme di oggetti con delle caratteristiche e dovrei fare

l’operazione di misura (in realtà farò una misurazione). Una volta che ho proiettato in ambito

numerico, lo strumento mi da un certo numero. Io considero la stessa sollecitazione da un punto di vista

metrologico (faccio la misura classica

Incertezze di misura fatta dai metrologi che confrontano

con il campione originale) e vado a

Incertezze Deterministiche vedere se le misure coincidono.

Normalmente ci sarà una differenza.

L’insieme di questi confronti darà una

Sono incertezze per le quali è possibile una trattazione analitica e per le quali è carta di calibrazione .

valutabile l’entità del contributo, anche se molte volte non è determinabile il loro

”verso” d’intervento. Purtroppo le calibrazioni di solito

non coprono tutta la scala. In un

Incertezze sistematiche intervallo avrò un certo numero di

Sono causate da un sistema di misura imperfetto, da procedure sbagliate (o in punti calibrati. Teoricamente dovrei

seguito ritenute tali), da errori sugli standard, da influenze valutabili nelle quantità calibrare tutte le cifre proiettate in

che esistono durante lo svolgimento delle misure. ambito numerico, ma ciò è

estremamente costoso (1000 $ per il

Incertezze grossolane primo punto e 100 $ per i punti

successivi), quindi si sceglie di

Sono causate da sviste di lettura e temporanei malfunzionamenti. calibrare ogni anno/due un numero

Incertezze addizionali di punti che non ci