Prestazioni di misura e interpretare correttamente le specifiche

Fig. 1. Ripetibilit�

Fig. 2. Funzione di trasferimento

Fig. 3. Nonlinearit�

Fig. 4. Isteresi

Fig. 5: Confronto delle indicazioni di precisione nelle specifiche di tre produttori di un misuratore di umidità ad alta precisione.

Glossario

La qualità di uno strumento di misura viene spesso ridotta a una domanda semplice:  Quanto è accurata la misurazione? Per quanto questa domanda possa sembrare semplice, non sempre è facile rispondere. Per scegliere lo strumento di misura più adatto, è infatti necessario conoscere i fattori che contribuiscono all'incertezza di una misurazione. Solo così si può capire cosa dicono le specifiche – e cosa no.

La prestazione di misura si determina attraverso la sua dinamica (campo di misura, tempo di risposta), precisione (ripetibilità, accuratezza e sensibilità) e stabilità (resistenza all'usura, funzionamento in condizioni ambientali estreme). La precisione è spesso considerata la caratteristica più importante, ma allo stesso tempo è tra le caratteristiche più difficili da specificare.

Sensibilità e accuratezza

La variazione del valore della grandezza di uscita di uno strumento di misura rispetto alla variazione del valore di riferimento viene chiamata sensibilità. In teoria, questa relazione è perfettamente lineare. Nella pratica, tutte le misurazioni presentano alcune imperfezioni o incertezze.

Spesso si parla semplicemente di “accuratezza” per indicare la corrispondenza tra il valore di misura e il valore di riferimento, ma questa è un'espressione un po’ vaga. L’accuratezza specificata di solito include la ripetibilità, cioè la capacità dello strumento di fornire lo stesso risultato se la misurazione viene ripetuta in condizioni costanti. (Fig. 1) Tuttavia, può includere anche isteresi, dipendenza dalla temperatura, non linearità e stabilità a lungo termine. La ripetibilità da sola è di solito una fonte meno significativa di incertezza di misura. Se la specifica di accuratezza non indica altre incertezze, può dare un’impressione errata sulla reale prestazione dello strumento.

Il rapporto tra i valori di misura e un valore di riferimento noto viene spesso chiamato funzione di trasferimento. (Fig. 2) Durante la taratura di una misura, questo rapporto viene ottimizzato in modo fine in base a un valore di riferimento di calibrazione noto. In condizioni ideali, la funzione di trasferimento è perfettamente lineare su tutto il campo di misura. Tuttavia, nella maggior parte delle misurazioni pratiche, si verificano variazioni di sensibilità in funzione della grandezza di misura. Questo tipo di imperfezione viene spesso chiamata non linearità. (Fig. 3) Questo effetto si amplifica ai limiti superiore e inferiore (estremi) del campo di misura. Pertanto, è consigliabile verificare se nella specifica di accuratezza è considerata la non linearità e se l’accuratezza è indicata per l’intero campo di misura. In assenza di questa informazione, è opportuno dubitare dell’accuratezza nelle zone di estremi.

L’isteresi è la variazione della sensibilità dello strumento di misura che dipende dalla direzione del cambiamento della grandezza di misura. (Fig. 4) Questo può essere una causa importante di incertezza di misura nei sensori di umidità realizzati con materiali fortemente legati alle molecole d’acqua. Se la specifica di accuratezza non include indicazioni sull’isteresi, questa fonte di incertezza rimane non chiarita. Se la sequenza di calibrazione viene eseguita solo in una direzione, l’effetto di isteresi può essere mascherato durante la calibrazione. Se nella specifica mancano indicazioni sull’isteresi, è impossibile determinare il livello di isteresi nella misurazione. I sensori in polimero a film sottile di Vaisala presentano un’isteresi trascurabile, sempre inclusa nell’accuratezza specificata.

Condizioni ambientali come temperatura e pressione influenzano altrettanto la precisione di misura. Se la dipendenza dalla temperatura non è specificata e la temperatura di esercizio varia significativamente, ciò può compromettere la ripetibilità. La specifica può riferirsi all’intero intervallo di temperatura di esercizio o anche a un intervallo più ristretto o “tipico”. Tali specifiche ignorano altri intervalli di temperatura.

Stabilità e selettività

La sensibilità di uno strumento di misura può cambiare nel tempo a causa dell’invecchiamento. Talvolta, questo effetto può essere accentuato dall’azione di sostanze chimiche. Se la stabilità a lungo termine non è indicata o se il produttore non può fornire raccomandazioni sull’intervallo di calibrazione medio, la specifica si riferisce solo alla precisione al momento della calibrazione. Un lento cambiamento della sensibilità (talvolta chiamato anche deriva) è pericoloso, poiché può essere difficile da percepire e può causare problemi latenti nei sistemi di regolazione. La selettività è definita come l’indifferenza dello strumento di misura rispetto a variazioni di altri fattori diversi dalla grandezza di misura effettiva. Ad esempio, se si effettuano misurazioni di umidità in un’atmosfera contenente determinate sostanze chimiche, queste possono influenzare il risultato. Questo effetto può essere reversibile o irreversibile. La reazione a determinate sostanze chimiche può essere estremamente lenta e questa sensibilità incrociata può essere facilmente confusa con la deriva. Uno strumento con buona selettività non reagisce a variazioni che non hanno a che fare con il valore di misura reale.

Calibrazione e incertezza

Se la misura si discosta dal valore di riferimento, è possibile correggere la sensibilità dello strumento. Questo processo si chiama taratura. La taratura eseguita in un singolo punto è chiamata correzione di offset: la taratura a due punti è una correzione lineare di offset e guadagno o amplificazione (sensibilità). Se la taratura deve essere eseguita in più punti, ciò può indicare una non linearità della misura che deve essere compensata con correzioni non lineari a più punti. Se inoltre i punti di taratura coincidono con i punti di calibrazione, la qualità della misura tra i punti di taratura rimane non verificata.

Una volta tarato, lo strumento viene calibrato per verificare la sua accuratezza. La calibrazione, che talvolta viene confusa con la taratura, consiste nel confrontare il valore di misura con un valore di riferimento noto, chiamato standard di lavoro. Lo standard di lavoro rappresenta il primo elemento della catena di tracciabilità, che collega le calibrazioni e i riferimenti fino allo standard primario. Un insieme di strumenti calibrati in base a un certo valore di misura può essere preciso tra loro (alta precisione), ma se l’incertezza di calibrazione non è indicata, non è possibile verificare l’accuratezza assoluta rispetto allo standard primario. La tracciabilità della calibrazione significa che la catena di misurazioni, riferimenti e incertezze correlate fino allo standard primario è nota e documentata professionalmente. In questo modo si può calcolare l’incertezza del valore di riferimento di calibrazione e determinare la precisione dello strumento.

Che cosa significa "accuratezza sufficiente"?

Quando si sceglie uno strumento di misura, è importante considerare l’accuratezza richiesta. Per un sistema di ventilazione standard che, ad esempio, regola l’umidità relativa per un clima interno confortevole, una tolleranza di ±5 % rF è probabilmente sufficiente. Tuttavia, in applicazioni come il controllo di una torre di raffreddamento, è richiesta una regolazione più precisa con limiti più stretti per aumentare l’efficienza operativa.

Se il valore di misura viene usato come segnale di controllo, sono importanti la ripetibilità e la stabilità a lungo termine (accuratezza), mentre l’accuratezza assoluta rispetto a un valore di riferimento tracciabile ha un ruolo secondario. Questo è particolarmente vero in un processo dinamico, in cui le variazioni di temperatura e umidità sono significative e in cui la stabilità della misura, e non l’accuratezza assoluta, riveste un ruolo decisivo.

Se invece, ad esempio, si verifica se le condizioni di prova in un laboratorio sono comparabili con quelle di altri laboratori, allora l’accuratezza assoluta e la tracciabilità della calibrazione sono di massima importanza. Un esempio di questa esigenza di accuratezza è la norma TAPPI/ANSI T402 “Standard conditioning and testing atmospheres for paper, board, pulp handsheets, and related products”, che stabilisce i valori per le condizioni di prova in un laboratorio di analisi della carta a 23 ±1 °C e 50 ±2 % rF. Se la precisione di misura specificata è ± 1,5 % rF, ma l’incertezza di calibrazione è ± 1,6 % rF, allora l’incertezza complessiva rispetto allo standard primario sarebbe superiore alla specifica. Le analisi – fortemente influenzate dall’umidità ambientale nel laboratorio di prova – non sarebbero confrontabili. In questo caso, non sarebbe possibile confermare che le analisi siano state eseguite in condizioni standard.

Una specifica di accuratezza senza informazioni sull’incertezza del valore di riferimento di calibrazione lascia indefinita l’accuratezza assoluta dello strumento.

È consuetudine di Vaisala fornire specifiche professionali e complete, basate su norme internazionali, metodi di prova scientifici e dati empirici. In questo modo, i nostri clienti possono fare affidamento su informazioni complete e affidabili nella scelta dei prodotti più adatti.

Lista di controllo per la scelta di uno strumento di misura

- La specifica di accuratezza include tutte le potenziali incertezze: ripetibilità, non linearità, isteresi e stabilità a lungo termine?
- La specifica di accuratezza si riferisce all’intero campo di misura o è limitata a un intervallo specifico? La dipendenza dalla temperatura è indicata nella specifica e il campo di temperatura è definito?
- Il produttore può fornire un certificato di calibrazione? Il certificato include informazioni sul metodo di calibrazione, sui valori di riferimento utilizzati e sull’incertezza calcolata professionalmente del valore di riferimento? Sono presenti più di uno o due punti di calibrazione nel certificato e copre l’intero campo di misura?
- Viene fornita una raccomandazione sull’intervallo di calibrazione, e la stabilità a lungo termine è inclusa nella specifica di accuratezza? Quale livello di selettività è richiesto nell’ambiente operativo previsto? Il produttore può fornire informazioni o riferimenti sulla compatibilità dello strumento con l’ambiente e l’applicazione previste?