Presso il reparto Dinamometria si svolgono ricerche ed attività tecnologiche in diversi settori della meccanica e ci 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.

I cercafughe a spettrometro di massa (Mass Spectrometer Leak Detector - MSLD) sono allo stato dell’arte la scelta migliore per i test di tenuta. Infatti la valutazione dell’incertezza dei MSLD è uno dei punti critici nelle prove di accettazione dei prodotti. Essi vengono tarati in riferimento a flussi noti di gas, generati dalle cosiddette fughe calibrate, tarate a loro volta rispetto a flussometri primari nell’ intervallo di flusso da 2×10^-8 mbar L/s a 1×10^-3 mbar L/s. I MSLD sono stati studiati sia come dispositivi indipendenti, sia inseriti nelle configurazioni sperimentali di prova. Nel primo caso si sono evidenziate le loro caratteristiche metrologiche, quali segnali di fondo, rumore, costante di tempo, fattore di correzione e ripetibilità; nel secondo caso la più complessa geometria dell’impianto produce componenti aggiuntive di incertezza, dovute alla pressione all’interno del dispositivo in prova e alla composizione della miscela del gas tracciante. Per il solo MSLD è stata valutata una incertezza estesa relativa pari a 16×10^-2 , che aumenta fino a 20×10^-2 per l’apparecchiatura completa e a 28×10^-2 quando si usa una miscela di gas.

Sistema per la rivelazione di fughe per prove in linea: schema di connessione di un cercafughe MSLD con una camera di prova ( a, b, c fughe calibrate).

Nell’ambito di un contratto industriale si è avviata la progettazione e costruzione di una serie di bilance di pressione in mezzo liquido fino a 120 MPa idonee all’utilizzo in ambito industriale. Si dispone di una bilancia di pressione molto compatta, facilmente trasportabile e dotata di tutti gli opportuni sensori di misura per la correzione degli errori dovuti alle principali grandezze di influenza. Lo schema costruttivo della bilancia di pressione è riportata in figura. Le principali caratteristiche metrologiche relative a tre pistoni-cilindri prototipo consentono di ottenere velocità di discesa del pistone inferiori a 100 µm·s^-1 alla pressione di 120 MPa, sensibilità di circa 20 ppm ed una incertezza estesa relativa variabile tra 1.5×10^-4 e 1×10^-4 sulla misura di pressione fra 10 MPa e 120 MPa.

Bilancia di pressione da 120 MPa: schema costruttivo.

L’attività di ricerca volta allo sviluppo e mantenimento del gravimetro assoluto trasportabile IMGC-02 ha riguardato l’ottimizzazione del software utilizzato per acquisire ed elaborare i dati raccolti. Sono state testate sperimentalmente diverse soluzioni per smorzare le vibrazioni provenienti dal pavimento e si è avviato un nuovo studio per un sistema inerziale da usare come riferimento nelle misure interferometriche con il laser. Le capacità di misura dichiarate sono state confermate dai risultati del confronto tra il gravimetro IMGC-02 ed il gravimetro assoluto FG5-216 del European Center for Geodynamics and Seismology (ECGS), Lussemburgo, svoltosi presso il laboratorio di gravimetria dell’INRIM. IMGC-02 ha misurato anche il campo gravitazionale presso il laboratorio forza dell’INRIM, necessario per la taratura delle masse della nuova macchina campione di forza a pesi diretti. Sono proseguite le tradizionali collaborazioni con numerosi laboratori (BIPM-Paris, ECGS, INGV-Napoli, OGS–Trieste).
Nel settore delle accelerazioni dinamiche, in seguito ad una perizia svolta presso una abitazione civile su richiesta di una compagnia privata, è stato sviluppato un programma specifico per misure di vibrazione in accordo alla norma UNI 9614.

IMGC-02 nel laboratorio forza dell’INRIM.

Utilizzando la Macchina Campione di Forza da 1 MN si è partecipato a due distinti confronti chiave in ambito CIPM: CCM.F-K2.a per forze fino a 100 kN e CCM.F-K3.b per forze fino a 500 kN. E’ stato realizzato un nuovo sistema di acquisizione dati per i dinamometri a sei componenti da 500 kN e 100 kN dell’INRIM, per migliorare le proprietà dinamiche e l’analisi degli effetti di sovraccarico dei campioni primari di forza. E’ continuata la costruzione della nuova macchina di forza a pesi diretti da 1.2 kN. Nel campo dell’analisi delle sollecitazioni a temperature criogeniche si è proceduto alla caratterizzazione metrologica (forza e spostamenti) della macchina per prove tensili da 100 kN.

INRIM - Dinamometro a sei componenti da 100 kN.

La definizione proposta a livello internazionale della scala di durezza Rockwell C è stata accettata e verrà quindi utilizzata per la realizzazione delle Scale Nazionali. Sono state effettuate le caratterizzazioni metrologiche di alcune macchine campioni primari di durezza, sistemi di misura delle impronte e sistemi di misura dei penetratori di diamante per conto di INM stranieri: INMETRO (Brasile), NCM (Bulgaria), NIM (Cina), UME (Turchia).

Sistema di misura per la verifica geometrica dei penetratori.

L'impegno in ricerche fondamentali di lungo termine è illustrato dal coinvolgimento in due collaborazioni internazionali per la realizzazione del kilogrammo sulla base della massa di un atomo. Nella meccanica quantistica relativistica, la frequenza e la massa sono legate dalla relazione di Planck-Einstein mc²= hf. Viene fatto uso di questa relazione e di tecniche di spettroscopia nucleare per determinare energie di legame e masse nucleari in termini di frequenza e del rapporto h/c². Questa pesata è piuttosto diversa da quelle in uso nella metrologia della massa: essa si basa sul fatto che, in una reazione di cattura di un neutrone, l'isotopo figlio è più leggero dell'insieme formato dall'isotopo madre e dal neutrone. La differenza di massa è misurata dalle frequenze della cascata di raggi γ emessi nel decadimento dello stato di cattura. L'apparato sperimentale si avvale dell'intensa sorgente di neutroni e dell'infrastruttura per la spettrometria γ dell'Institut Laue Langevin; l'INRIM è responsabile dell'estensione delle misure di frequenza ai raggi γ attraverso cristalli di Si calibrati che agiscono come reticoli di diffrazione nello spettrometro γ. Se la frequenza di Compton mc²/h di un atomo è nota, il kilogrammo può essere realizzato fabbricando un artefatto il cui numero di costituenti atomici sia noto. E' quindi stabilita una connessione con la scala macroscopica: la cristallizzazione consente di contare gli atomi in una sfera di ²⁸Si con un'accuratezza di 10^-8 e di collegare la sua massa alla frequenza Compton del ²⁸Si. Al fine di riunire le competenze necessarie e di condividere i costi, le tecnologie necessarie a tale realizzazione del kilogrammo sono in corso di sviluppo da parte di un consorzio internazionale; in questo ambito l'INRIM sta assicurando la connessione tra le scale atomica e macroscopica misurando, per mezzo di tecniche di interferometria doppia X e ottica, il parametro reticolare del silicio con nove cifre significative.

Parte mobile dell’interferometro a raggi X per la misurazione del parametro reticolare del silicio.