Progettazione e realizzazione di un sistema embedded per il controllo di temperatura e di pressione in ambito metrologico

  I. Il controllore di pressione per applicazioni metrologiche primarie 
 
 
 2
temperatura tra i punti fissi di Al e Ag. Nel 2004 l’IMGC ha avviato il progetto Euromet 
772 sull’utilizzo dell’”Amplificatore di Temperatura”, a cui hanno aderito dieci laboratori 
metrologici primari europei. L’interesse è nato anche dal fatto che il sistema, 
principalmente indirizzato alla ricerca di base sulla scala di temperatura e sulle 
caratteristiche dei termometri campione, è altresì utilizzabile per effettuare tarature di 
termometri e termocoppie per confronto, con ridotte incertezze, in ampi campi di 
temperatura e con rapidità e facilità di utilizzo. Un prototipo circolante di questo 
dispositivo è in fase di sviluppo e le recenti attività sono state concentrate sulla 
progettazione e realizzazione di un sistema di controllo della pressione. Questo controllore 
di pressione, sfruttando la relazione termodinamica univoca che lega temperatura e 
pressione in un fluido in transizione di fase, permette regolazioni di pressione entro 10
-6
: 
prestazioni non raggiunte da alcun sistema attualmente in commercio basato sui sensori di 
pressione.  
Il lavoro di ricerca e sviluppo ha inoltre visto diverse ricadute in termini di 
collaborazioni e contratti con università italiane (Politecnico di Torino, Università di 
Cassino) e con Istituti metrologici di altre nazioni (Francia e Cina) a cui l’INRiM fornisce 
conoscenza, soluzioni tecnologiche e informatiche, dispositivi legati al controllo di 
pressione e elettronica dedicata. I lavori proseguono nei diversi settori avviati e i risultati a 
breve e medio termine attesi da queste collaborazioni e contratti possono essere riassunti 
in: 
 
• fornitura al Politecnico di Torino (Centro per la Qualità) di un tubo al mercurio per 
tarature di termometri campione e realizzazione della linea di pressione dedicata e 
del controllore di pressione; 
• fornitura al INM_BNM CNAM francese di un dispositivo per il controllo della 
pressione e di software di controllo realizzato su specifica; 
• caratterizzazione del tubo di calore al sodio per alta temperatura e accensione del 
complesso nuovo “Amplificatore di Temperatura” presso l’INRiM; valutazione dei 
risultati per l’Euromet 772 e avvio circolazione del prototipo presso istituti 
aderenti. Proposta di nuovo campione di temperatura, strumento interpolatore, tra i 
punti di Al e Ag; 
• fornitura di un dispositivo per i gruppi di termometria del NIM cinese; 
• realizzazione di nuovi sistemi elettronici e software di controllo integrato, in 
collaborazione con Politecnico di Torino (Dipartimento di Elettronica); 
• avvio progetto di ricerca congiunto con Università di Cassino per la realizzazione 
di un controllore di pressione autonomo; 
• fornitura di un tubo di calore a mercurio e di un controllore di pressione al 
laboratorio termometria per contatto INRiM per tarature conto-terzi; 
• studio fattibilità di un campione di riferimento utile al confronto di manobarometri 
campione. 
 
  I. Il controllore di pressione per applicazioni metrologiche primarie 
 
 
 3
2 Tecnologie innovative nella metrologia delle 
temperature 
L’Amplificatore di Temperatura [1] è basato sull’impiego di due o più tubi di 
calore, collegati tra loro da una linea in pressione di elio, all’interno di ognuno dei quali 
vengono mantenuti equilibri continui tra le fasi liquido-vapore di metalli altamente puri. 
L’alta differenza di densità tra i vapori metallici e il gas elio impedisce che i due fluidi si 
mescolino, ma garantisce che le transizioni di fase di essi avvengano alla stessa pressione. 
Frutto di anni di lavoro e affinamento delle tecniche di controllo e misurazione, 
l’amplificatore di temperatura è attualmente giunto alla seconda generazione essendo 
costituito da nuovi tubi di calore, un nuovo e più compatto controllore per la pressione a 
cui avvengono le transizioni di fase, e un nuovo metodo di controllo che permette 
prestazioni non raggiungibili con altri metodi in termini di stabilità, uniformità e campo di 
temperatura. Ogni componente del sistema complessivo è stato studiato, realizzato e 
perfezionato presso un nuovo laboratorio appositamente attrezzato per queste ricerche 
presso la sezione termometria. Nuovi tubi di calore a controllo di pressione sono stati 
realizzati in modelli diversi e per campi differenti, con accorgimenti tali da migliorarne le 
prestazioni rispetto a qualunque dispositivo analogo attualmente disponibile. La linea di 
pressione e le componenti principali del sistema complessivo sono già state realizzate e 
montate. Il nuovo controllore di pressione [2], strumento chiave del sistema, è stato oggetto 
di una fase preliminare di studio e modellizzazione dei principi di funzionamento, per 
passare successivamente a una fase di costruzione e assemblaggio meccanico delle sue 
componenti. Anche la parte elettronica espressamente dedicata al dispositivo è stata 
studiata e realizzata presso il nuovo laboratorio Tubi di calore. Il complesso software di 
utilizzo, controllo, interfacciamento è stato compilato anch’esso presso il laboratorio. La 
caratterizzazione e la valutazione delle prestazioni del controllore hanno visto fasi di 
taratura presso la sezione dinamometria, confronti con la strumentazione esistente e 
montaggio in linea di pressione nuova. Questo controllore di pressione basa il suo 
funzionamento sull’impiego innovativo di un termometro campione a resistenza di platino 
usato da “sensore di pressione”. La relazione termodinamica che lega pressione e 
temperatura in un fluido in transizione di fase liquido-vapore e viceversa è una funzione 
univoca che permette di superare, grazie alle sensibilità in temperatura e alle risoluzioni dei 
ponti di misura, la più scarsa sensibilità dei sensori di pressione, anche di elevate 
prestazioni. Primi risultati sul sistema complessivo sono stati acquisiti recentemente con il 
tubo di calore a più bassa temperatura costituente l’Amplificatore di Temperatura: quello al 
mercurio [3]. Le stabilità ottenibili tra 200 °C e 400 °C sono dell’ordine dei decimi di 
millesimo di kelvin per tempi indefiniti, grazie all’azione attiva del controllore di pressione 
e al disegno strutturale del tubo. Negli ultimi giorni è stato inoltre riempito il tubo al sodio, 
per la temperatura più alta (tra 600 °C e 1000 °C), accoppiato alla linea in pressione 
comune al tubo al mercurio. E’ stato avviato il procedimento di “start-up” e la campagna di 
caratterizzazione.  
  I. Il controllore di pressione per applicazioni metrologiche primarie 
 
 
 4
La tecnologia e le conoscenze sui tubi di calore a controllo di pressione acquisite 
all’INRiM sono al momento anche rivolte ad un ulteriore campo di applicazione: il 
mantenimento dei punti fissi della STI-90 presso lo stesso gruppo. Nuovi tubi di calore 
sono in fase di studio e prossima costruzione al fine di sostituire i dispositivi obsoleti e, in 
certi casi danneggiati dal prolungato utilizzo. Questi nuovi tubi di calore verranno 
realizzati sia sigillati sia provvisti di controllo di pressione e per diversi campi di 
temperatura, al fine di migliorare le condizioni di utilizzo dei punti fissi termometrici, 
dall’indio all’argento. Gli studi rientrano in un più ampio progetto di ammodernamento 
delle strumentazioni che verrà in seguito esteso allo studio e alla realizzazione di 
elettronica dedicata. I risultati ottenuti mediante questi nuovi tubi di calore per punti fissi 
saranno inoltre utili alla partecipazione dell’INRiM nel progetto Euromet 732, finalizzato 
al miglioramento delle condizioni adiabatiche di mantenimento dei punti fissi. 
 
2.1 Il tubo di calore a controllo di pressione 
L’utilizzo di tubi di calore a controllo di pressione (Gas Controlled Heat Pipe – 
GCHP) [4] è un metodo ampiamente sperimentato e regolarmente utilizzato presso 
l’INRiM e da altri laboratori di taratura internazionali. Questi dispositivi sono usati in 
termometria per ottenere zone estremamente isoterme, entro pochi decimi di millikelvin, 
per la taratura di termometri, o per la realizzazione di punti fissi. 
I tubi di calore sono dei contenitori utilizzati in termometria per realizzare il 
passaggio di stato liquido-vapore con una temperatura uniforme al proprio interno. Questo 
tubo viene riempito con una piccola quantità di un liquido chiamato “fluido di lavoro” che 
è fatto riscaldare dalla base e sulle pareti laterali per permettere l’evaporazione e che viene 
raffreddato dall’alto per permettere la condensazione e in questo modo garantire che il 
passaggio di stato avvenga a ciclo continuo. Tutta la superficie interna del cilindro è 
coperta da una struttura capillare, realizzata con lavorazioni meccaniche superficiali e con 
reti metalliche. Questa struttura provvede a fare ritornare il fluido condensato dalla zona 
raffreddata verso quella riscaldata, chiudendo così il ciclo liquido→vapore→liquido. 
In particolare, i tubi di calore impiegati in termometria sono generalmente di forma 
cilindrica, riscaldati da uno o due forni a resistenza, uno sulla base detto principale e uno 
laterale secondario e raffreddati mediante un circuito di raffreddamento ad acqua esterno 
che ne limita gli scambi di calore con l’ambiente. Mentre la base fornisce l’energia 
necessaria all’evaporazione, l’assenza di rilevanti gradienti termici all’interno è invece 
garantita dalla presenza del secondario. La sottile rete metallica aderente alla parete interna 
favorisce invece la condensazione del fluido di lavoro e il successivo ritorno del liquido 
verso il fondo, permettendo così la chiusura del ciclo convettivo.