INRIM

Il Reparto di Dinamometria svolge ricerche ed attività tecnologica in diversi settori della meccanica e si dedica principalmente allo studio e disseminazione dei campioni primari di forza, coppia, pressione e durezza. Altri argomenti di interesse sono le tecniche primarie e la strumentazione per l’accelerazione dinamica e la gravimetria assoluta, sia per misure che per tarature. Il Reparto si è occupato inoltre di attività teorica e sperimentale volta alla rideterminazione del kilogrammo sulla base della massa dell’atomo di Si attraverso il conteggio degli atomi presenti in una sfera di silicio monocristallino e monoisotopico.

L’impianto ad espansione continua è un impianto primario basato sulla espansione dinamica di un gas puro pompato attraverso una conduttanza. Il flusso di gas viene generato e misurato mediante un flussometro a pressione costante e volume variabile. Numerose operazioni compiute manualmente sono state automatizzate, ad esempio l’avvio dei due pistoni del flussometro e l’acquisizione della temperatura in punti chiave del sistema, con conseguente ottenimento dei risultati in tempo reale. Si è svolto un confronto bilaterale (EUROMET 855) con il NPL, si è iniziato inoltre uno studio sperimentale al fine di valutare l’influenza della configurazione utilizzata nel montaggio dei vacuometri a sfera rotante sulla camera di taratura dell’impianto primario. I flussometri vengono anche usati per la taratura di fughe campione come parte degli spettrometri di massa, a questo proposito i tre flussimetri in gas disponibili presso l’IMGC sono stai impiegati nel confronto bilaterale con l’Università di Giessen in Germania: il campione di trasferimento usato è un capillare pinzato e le misure sono state condotte con azoto e con riferimento al vuoto e all’atmosfera.

Si è svolta attività di miglioramento e mantenimento dei manometri interferometrici HG5 ed MM1, in modo assoluto e relativo, attraverso il test e l’adozione di nuovi galleggianti ad occhio di gatto per le piccole pressioni e aggiornamento del software di misura. Al fine di effettuare cicli completi di misura a pressione crescente e decrescente su strumenti che sono dipendenti dal gas usato (aria o azoto), è stata realizzata una camera a cui possono essere collegati fino a quattro barometri in taratura ed il relativo circuito di regolazione del gas.

Nell’ambito di una collaborazione con l’ Università di Cassino e un’azienda americana sono state provate mediante metodi FEM numerose bilance di pressione di alta prestazione fino a 200 MPa, del tipo a deformazione libera ed a gioco controllato. I risultati numerici sono stati confrontati con le caratteristiche tipiche dei pistoni-cilindri osservate nel laboratorio metrologico dell’azienda produttrice (coefficienti di distorsione elastica, velocità di discesa del pistone, effetti delle condizioni al contorno (ad esempio le sollecitazioni sul cilindro). In collaborazione con una ditta italiana è iniziata la progettazione di bilance di pressione industriali in mezzo liquido fino a 120 MPa ed in gas fino a 12 MPa. Il primo passo ha riguardato la realizzazione dell’unità pistone-cilindro, con la scelta del materiale più appropriato, il carburo di tungsteno. Sono state eseguite numerose prove preliminari per valutarne le prestazioni metrologiche.

L’impegno nella ricerca di base a lungo termine sui fondamenti della scienza metrologica è testimoniato dalla partecipazione ad un progetto di cooperazione internazionale per la realizzazione del kilogrammo sulla base della massa del ²⁸Si. Per contare il numero di atomi in una sfera di silicio di un kilogrammo occorre misurare il passo reticolare entro alcune parti in 10^-9: il dispositivo di misura è basato sulla combinazione di un interferometro a raggi X e di uno ottico, in modo da contare gli atomi in un tratto di lunghezza nota. A questo scopo un cristallo di silicio viene tagliato in due parti e quindi ricomposto in modo tale che gli atomi si ricollochino nel reticolo nelle stesse posizioni del cristallo iniziale. Le due parti devono scivolare l’una rispetto all’altra di circa 1 mm e gli atomi devono essere osservati e contati misurando simultaneamente l’entità dello spostamento mediante un interferometro laser capace di risoluzione ed accuratezza prossima al picometro. L’attività di ricerca sin qui svolta ha permesso di dimostrare capacità di misura del passo reticolare con incertezza relativa di 1·10^-8, da confrontarsi con l’obiettivo di 3·10^-9. Traslare i cristalli che compongono un interferometro a raggi X è un compito di difficoltà formidabile. Non solo le vibrazioni devono essere eliminate alla scala dei picometri, ma occorre anche controllare elettronicamente la posizione e l’assetto dei cristalli su sei gradi di libertà e con sensibilità commensurate all’esigenza di posizionamenti alla scala delle dimensioni atomiche. In parallelo vengono condotti studi su modelli teorici e metodi numerici, per una più ampia comprensione dei fenomeni fisici, delle osservazioni sperimentali e per una riduzione della enorme quantità di dati generati durante ogni sessione sperimentale. La più recente misura del passo reticolare è di 0.192015569(6) nm .

Le capacità di misura del gravimetro trasportabile assoluto IMGC-02 sono state migliorate con l’automazione completa dell’apparecchiatura e con un nuovo software per l’analisi statistica dei risultati. La procedura applicata per la messa a punto della verticalità del fascio laser e l’equazione del modello usato per ricostruire la traiettoria seguita dal grave sono state aggiornate. Lo strumento odierno adotta una tecnica innovativa per l’elaborazione delle frange di interferenza. L’incertezza estesa relativa strumentale ammonta a 8.2·10^-9 , mentre l’incertezza estesa relativa tipica di misura (p=95%) nel laboratorio di gravità dell’INRIM è di circa 1·10^-8. Si è partecipato all’ultimo interconfronto dei gravimetri assoluti ICAG-2005, tenuto al BIPM. Dalle prime elaborazioni dei dati del confronto, lo scarto relativo del gravimetro IMGC-02 rispetto al valore di riferimento risulta di 2÷3·10^-9. È stata effettuata una campagna di misura per il Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia per il controllo della zona vulcanica di Colli Albani nel Lazio (Italia). Nelle accelerazioni dinamiche è stato realizzato un nuovo ed innovativo condizionamento del segnale ad alta stabilità da usarsi per i confronti internazionali. È stata studiata una tavola vibrante portatile per le basse frequenze (2÷8 Hz) ed un nuovo programma per le misurazioni delle vibrazioni delle costruzioni civili.

È terminata ed è stata proposta a livello internazionale (CCM-WGH) la nuova definizione della scala di Rockwell C. Sono stati effettuati nuovi studi sull’influenza dell’apertura numerica nelle misure Brinell ed è stata proposta al livello internazionale una nuova procedura per la prova delle prestazioni dei penetratori di diamante Rockwell. Si è partecipato al CCM Key-Comparison delle scale Brinell. Nel quadro di un contratto con la LTF S.p.a. (azienda detentrice del brevetto e del know-how IMGC-CNR per la realizzazione delle macchine campione primario di durezza (PHSM) e dei sistemi di misurazione delle impronte) è stata effettuata la prima caratterizzazione metrologica della PHSM e del sistema di misurazione delle impronte per INMETRO (Brasile) e per UME (Turchia).

È stata effettuata un’importante e ampia campagna interna di confronti fra le macchine campione primario di forza (PFSM) (da 30kN fino a 5MN) per assicurare la continuità della scala nazionale di forza. Si è partecipato al CCM Key-Comparison delle macchine campioni di forza a pesi diretti da 1 MN e da 500 kN. È stata progettata una nuova macchina campione di forza a pesi diretti da 1.2 kN nella parte meccanica, elettronica e software. Nell’analisi delle sollecitazioni alle temperature criogeniche, sono state effettuate alcune prove su Al-Li a 17K per verificare la possibilità di un contratto di ricerca per missioni spaziali.