Affinché i laboratori dell'industria e del governo possano garantire che le loro macchine per la misurazione della pressione funzionino correttamente, hanno bisogno di una fonte affidabile di pressione. Spesso, quella fonte è un calibro a pistone - un cilindro di metallo che cade attraverso un cilindro cavo o "manicotto" a una velocità prevedibile. Il personale del Physical Measurement Laboratory (PML) del NIST esegue calibrazioni precise di calibri a pistone per clienti tra cui la Marina, l'esercito, compagnie aeree, e società di servizi energetici.

Per decenni, quelle calibrazioni sono state fatte a mano scrupolosamente. Ma il personale ha recentemente sviluppato e lanciato un nuovo, sistema automatizzato che riduce drasticamente il tempo necessario per ogni prova.

La pressione è una misura della quantità di forza applicata a un'area unitaria. Per un calibro a pistone, quella forza proviene da una massa che è posta sopra il pistone, spingendolo verso il basso. L'area in questo caso è l'area della sezione trasversale del pistone, corretto per distorsioni e difetti e indicato come "area effettiva". Quindi per i calibri a pistone, la pressione dipende dall'area effettiva del pistone e da quanta massa è posta su di esso.

I clienti per il servizio di calibrazione del calibro del pistone del NIST includono compagnie aeree, società di servizi energetici, e i militari.

Per calibrare il misuratore di un cliente, i ricercatori devono bilanciare le pressioni generate da due diversi manometri. Su un lato di questa bilancia c'è il calibro del pistone del cliente. Dall'altro lato c'è uno dei calibri a pistone standard del NIST, le cui dimensioni sono state misurate con precisione in modo che la sua area effettiva sia ben nota. La stessa massa nominale – anch'essa misurata al NIST con alta precisione – è posta su ogni misuratore.

I ricercatori conoscono l'area effettiva del calibro a pistone standard, e conoscono il valore delle masse poste sui calibri. Quello che non sanno, ma è necessario scoprire per completare la calibrazione, è l'area effettiva dell'indicatore del cliente.

Nel vecchio, metodo manuale, i manometri erano collegati con una cella di pressione differenziale, che ha un quadrante che indica quanto è diversa una pressione da un'altra. Per raggiungere l'equilibrio, un ricercatore aggiungerebbe o rimuoverebbe masse di tutte le diverse dimensioni, alcuni piccoli come 5 milligrammi (mg), da e verso le parti superiori dei calibri del pistone. Una volta bilanciate le pressioni, i ricercatori avrebbero notato quanta massa era stata utilizzata per il misuratore del cliente e l'avrebbero usata per calcolare l'area effettiva. Questo sarebbe poi ripetuto più volte – di solito un totale di 10 – a pressioni diverse all'interno della gamma del calibro del pistone. Alla fine, I ricercatori del NIST sarebbero in grado di fornire al cliente un rapporto che fornisse correzioni da applicare a qualsiasi misurazione effettuata con il loro calibro a pistone.

Questo potrebbe sembrare semplice. Ma in pratica, era estremamente dispendioso in termini di tempo, perché i ricercatori hanno dovuto essenzialmente creare una condizione di equilibrio quasi perfetta tra i due indicatori. "Era molto noioso, " dice Greg Driver, il membro dello staff del NIST PML che ha eseguito queste calibrazioni per più di quarant'anni fino al suo pensionamento all'inizio di quest'anno.

"Nella vecchia maniera, vedresti il ​​ricercatore con un paio di pinzette, afferrando queste piccole masse fuori dalla scatola e facendole scoppiare su questa cosa ancora e ancora e ancora, " dice Julia Scherschligt del NIST PML. Inoltre, lei continua, il tecnico dovrebbe predisporre adeguatamente un bilanciamento ogni volta che le masse vengono cambiate, coprire e scoprire i calibri del pistone per evitare che le correnti d'aria influiscano sulle loro prestazioni, aggiungendo sbuffi di azoto agli indicatori per evitare che cadano in fondo alle maniche, e far girare a mano i calibri per evitare che eventuali lievi imperfezioni nella loro costruzione distorcano i risultati. (Guarda il video per una dimostrazione del vecchio metodo manuale.)

Circa un anno fa, il team ha iniziato a studiare un modo per automatizzare questo confronto per evitare di dover creare un equilibrio perfetto. Nel nuovo metodo, le pressioni vengono confrontate utilizzando un trasduttore, che prima campiona la pressione creata da uno e poi, in pochi secondi, campioni la pressione creata dall'altro. Non è più necessario aggiungere e rimuovere piccole masse:i ricercatori posizionano semplicemente la stessa massa nominale sopra ogni misuratore e poi aggiungono un po' di gas azoto su ciascun lato quando necessario. Prossimamente, essi sperano, non dovranno nemmeno accendere manualmente l'azoto:il computer si occuperà automaticamente dell'intera calibrazione.

La bellezza del nuovo sistema, Scherschligt dice, è che il trasduttore stesso non ha bisogno di essere calibrato. "Può essere pensato come un dispositivo che trasferisce quasi istantaneamente la calibrazione del calibro del pistone NIST al calibro del cliente, " dice. "La precisione del trasduttore non ha importanza - potrebbe variare di ordini di grandezza - purché risponda in modo lineare ai cambiamenti di pressione".

Ritengono che in questo modo stiano risparmiando molto tempo. "Possiamo fare una calibrazione a dieci punti in circa un'ora, "Dice l'autista. "Prima, mi ci vorrebbe quasi un giorno intero." Inoltre, hanno raggiunto una precisione dell'ordine di poche parti per milione, paragonabile al metodo manuale.

La creazione del sistema automatizzato è stato un lavoro di squadra. Yuanchao Yang, che all'epoca era un socio del NIST, progettato e costruito il sistema con il contributo di Driver e Scherschligt e di Dawn Cross del NIST PML, che ha eseguito le tarature del calibro del pistone dal pensionamento del conducente. Dall'Ufficio NIST per la gestione dei sistemi informativi, Katie Schlatter era l'ingegnere di processo e John Quintavalle ha progettato e scritto il software.

Proprio adesso, i campi di pressione coperti dall'automazione arrivano solo fino a 7 MPa (megapascal, circa 1000 psi), il che significa che qualsiasi manometro a pistone con un campo di pressione superiore a 7 MPa deve essere comunque calibrato a mano. Il team del NIST prevede di aggiornare questo sistema parzialmente automatizzato a 14 MPa (circa 2000 psi), e alla fine vorrei realizzare un altro sistema completamente automatizzato.