VOLUME O MASSA? Riferibilità metrologica nella taratura dei contatori d’acqua Giorgio Cignolo Istituto di Metrologia “G. Colonnetti” (IMGC) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) Torino Contributo al Convegno “Acqua Chiara” CCIAA di Asti, 17-18 Ottobre 2005

Che cosa è la RIFERIBILITA’ (Traceability)? E’ la proprietà di una misura (non di un operatore, né di una azienda o laboratorio) per la quale è possibile risalire da essa ai campioni primari nazionali o internazionali delle unità di misura del Sistema Internazionale delle Unità (SI) per mezzo di una catena ininterrotta di tarature e confronti eseguiti con incertezza nota.

IL CASO DEI CONTATORI D’ACQUA I contatori d’acqua misurano dei VOLUMI; Perciò, la riferibilità è (e deve essere) condotta al campione di lunghezza, il metro, nella fattispecie alla terza potenza del metro; Tuttavia nella maggioranza degli impianti di taratura la catena di riferibilità passa attraverso una misura di massa, con l’ausilio di un materiale di riferimento, l’acqua, del quale è nota o si determina la densità (o massa volumica) ad una certa temperatura; In sostanza: in almeno uno degli anelli della cosiddetta catena di riferibilità di tali impianti si perviene a determinare un volume (di liquido oppure di serbatoio campione) come rapporto fra una misura di massa di acqua e la densità misurata o calcolata di tale liquido alla temperatura di lavoro

RIFERIBILITA’ DIRETTA AL METRO Nel settore contatoristico oggi viene realizzata unicamente tramite pistoni motorizzati (molto più raramente mossi invece dalla pressione dell’acqua), che sono gli unici organi volumetrici ben misurabili dimensionalmente; Attualmente si usano campioni a pistone-cilindro tradizionali (cioè con accoppiamento maschio-femmina di precisione); Possibile alternativa: i campioni a pistone tuffante (nei quali solo il maschio deve essere lavorato e misurato con precisione); Nota: non di rado il campione non viene caratterizzato dimensionalmente, ma si misura con altri metodi il volume d’acqua erogato con una corsa di lunghezza nota, perciò si ricade in una riferibilità indiretta al metro

RIFERIBILITA’ AL METRO TRAMITE IL KILOGRAMMO/1 Come già detto, nell’anello finale (od in uno precedente) della catena di riferibilità si misura una massa d’acqua di cui viene calcolata o misurata la densità: tramite la densità si “passa” poi al volume; La catena di riferibilità diventa complessa: oltre alle misure di temperatura dell’acqua (indispensabili anche nel caso dei pistoni) servono bilance, pesiere e misure di massa; Ma per poter correggere l’effetto della spinta aerostatica nelle pesate di precisione è indispensabile misurare la pressione atmosferica, la temperatura e (al limite) anche l’umidità dell’aria; La correzione per la spinta aerostatica non è trascurabile; nella pesata dell’acqua essa ammonta in media a + 0,1%

RIFERIBILITA’ AL METRO TRAMITE IL KILOGRAMMO/2 C’è poi il problema della DENSITA’ DELL’ACQUA: Ovunque sia possibile, conviene usare acqua pura (ad esempio demineralizzata, come nell’impianto della CCIAA di Asti), la densità della quale è nota con grande precisione, se si misura la temperatura entro almeno 0,1 °C; Altrimenti occorre aggiungere strumenti per la misura di densità: densimetri di vetro, di uso discontinuo e tedioso, oppure strumenti automatici, il cui acquisto e mantenimento in taratura è costoso.

DUE TIPOLOGIE DI IMPIANTO IMPLEMENTANO LA RIFERIBILITA’ INDIRETTA AL METRO: I tradizionali impianti che usano serbatoi volumetrici, alla origine tarati mediante pesata del contenuto d’acqua, oppure ben più spesso mediante travaso da serbatoi campione, il cui capostipite è però sempre tarato per pesata d’acqua (infatti le irregolarità geometriche delle costruzioni saldate non consentono una taratura accurata per via dimensionale); I ben più moderni impianti che eseguono ogni misura mediante pesata di uno o più serbatoi non tarati , in cui è stata raccolta l’acqua transitata nei contatori da tarare.

IMPIANTI CON SERBATOI VOLUMETRICI TARATI Sono semplici ed economici; L’accuratezza è mediocre, dipendendo da una buona taratura, pulizia, lettura del livello, svuotamento e successivo sgocciolamento fatti in maniera corretta e ripetibile; Di conseguenza occorre misurare volumi piuttosto grandi, con tempi di prova prolungati; Essendo i serbatoi a “pelo libero”, occorre guardarsi da perdite per spruzzi ed evaporazione eccessiva, specie nelle prove alla Qmin ; Non si prestano all’automazione, un fattore oggi decisivo.

IMPIANTI A PESATA Sono potenzialmente assai più precisi dei precedenti; Come i precedenti possono essere alimentati in modo “naturale”, cioè sotto battente idraulico, da autoclave o (meno bene) con pompe centrifughe; Richiedono molta strumentazione, campioni ed accessori, con relativi non indifferenti problemi “culturali”, di costo e di gestione in qualità; Se basati sulla deviazione di flusso (v. oltre) sono anche di progettazione meccanica piuttosto impegnativa; Si prestano benissimo all’automazione; Occorre anche guardarsi da spruzzi (specie nei deviatori di flusso) ed evaporazione.

IMPIANTI A PISTONE Possono funzionare solo se costruiti con grande precisione meccanica e se mantenuti in buono stato, quindi possono produrre ottime misure; Sono costruzioni piuttosto costose e tendenzialmente delicate, che si prestano bene all’automazione; I pistoni-cilindro (a differenza dei pistoni tuffanti) possono lavorare in circuito chiuso, eventualmente sotto pressione; In entrambi i tipi si possono eliminare completamente le perdite per evaporazione fra campione e contatore; Grazie a tali fattori positivi, i volumi di prova possono essere ridotti, quindi è possibile una buona produttività; Occorre però guardarsi da fughe e bolle d’aria nella camera di misura; Il maggiore problema segnalato è l’influenza sui contatori delle particolari modalità di alimentazione: flusso imposto e forzato dal motore (con eventuali oscillazioni periodiche), e/o fenomeni di avanzamento discontinuo (stick and slip) specie se l’agente è la pressione dell’acqua.

LE DIVERSE MODALITA’ DI PROVA Sono possibili ed usate ben tre diverse modalità di prova, che, agendo in modo diverso sul contatore, possono dare luogo a misure discordanti: Primo tipo: con flusso nullo sia ad inizio sia a fine prova (standing start & stop). E’ il metodo tradizionalmente usato negli impianti con serbatoi volumetrici. La durata della prova deve essere sufficiente a rendere trascurabile l’influenza sul contatore dei transitori di avviamento ed arresto. Secondo tipo: con flusso a regime prima, durante e dopo tutta la prova, senza deviazione di flusso (flying start and stop). Esempio: avviamento e messa a regime di un pistone, poi lettura contemporanea del contatore e della posizione del pistone ad inizio e fine prova, senza arresto del pistone e del flusso. Richiede ovviamente misure dinamiche in tempo reale, potenzialmente meno accurate di quelle di cui sotto: Terzo tipo: con flusso a regime come sopra, ma con l’acqua che ad inizio prova viene deviata da un apposito deviatore di flusso in modo il più possibile istantaneo verso l’organo di misura (di norma un serbatoio di pesata), e poi deviata nuovamente verso uno scarico o ricircolo a fine prova (il tutto con particolari accorgimenti per evitare il colpo d’ariete). Consente accurate misure di massa in condizioni stazionarie.

CONCLUSIONI/1 La riferibilità ai campioni nazionali delle unità di misura SI è una proprietà essenziale per tutte le misure; Nel settore dei contatori d’acqua si sono sviluppati nuovi metodi ed impianti di taratura, automatizzabili, più produttivi e potenzialmente più precisi del tradizionale 0,2%; La riferibilità delle misure prodotte con tali impianti può seguire due filoni molto diversi: esclusivamente tramite misure dimensionali (a temperatura nota) di organi di forma estremamente regolare, gli unici di cui si può calcolare adeguatamente il volume (pistoni-cilindro e pistoni tuffanti), oppure senza alcuna misura dimensionale in loco, arrivando a riferirsi al campione dell’unità di lunghezza unicamente per il tramite della conoscenza della densità dell’acqua alle temperature di interesse.

CONCLUSIONI/2 Sono state brevemente discusse le caratteristiche dei tre principali tipi di impianti campione, facenti uso rispettivamente di serbatoi tarati, di pistoni e di pesata dell’acqua; Sono state evidenziate le tre modalità di prova che bisogna considerare per poter fare una oculata scelta progettuale, in quanto sono concettualmente differenti e nella pratica possono dare risultati sensibilmente diversi; Se mi è lecito esprimere una preferenza, nel caso dei liquidi essa va agli impianti con flusso d’acqua sempre a régime e deviazione rapida del flusso entro il serbatoio di pesata per la durata della prova, cui segue una accurata pesata in condizioni statiche; Nel complesso ed in conclusione, per rispondere alle odierne esigenze della qualità delle misure tutti i metodi ed i tipi di impianto campione che li implementano richiedono un investimento di risorse (e soprattutto di lavoro qualificato da parte di personale esperto) ben maggiore che in passato.