Descrivere le tipologie di cavi

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1 Dire che cos è l isolamento galvanico, a cosa serve e quali soluzioni tecnologiche si possono utilizzare per ottenerlo, sia per ingressi analogici che digitali. E la condizione per cui tra due punti a differente potenziale non ha luogo una circolazione di corrente continua. Non è possibile lo spostamento dei portatori di carica da un punto all altro, mentre l energia elettrica può ancora essere scambiata mediante fenomeni quali induzione o accoppiamento capacitivo. Tale condizione equivale ad avere una resistenza elettrica infinita tra i due punti. Due circuiti isolati galvanicamente presentano un impedenza per le correnti continue superiore a 100 MOhm, cioè è sostanzialmente impedita la circolazione, tra i due circuiti, delle correnti continue e di quelle di bassa frequenza (50-60 Hz) oltre che delle frequenze di rete. Analogico - Si impiega un relay con doppio contatto di scambio che permette di portare un condensatore di capacità opportuna alternativamente ai capi della coppia di cavi proveniente da un sensore e all ingresso del sistema di acquisizione. Risulta conveniente perché ha insiti nella sua struttura il filtraggio e il campionamento del segnale in ingresso ma non consente di raggiungere frequenze di campionamento molto elevate, essendo i tempi di stabilizzazione dei contatti del relay di diversi millisecondi. Digitale - Si realizza l isolamento sul segnale digitale in uscita dal convertitore, ha origine dalla disponibilità di convertitori con ottime prestazioni. L isolamento digitale si realizza con semplici e relativamente poco costosi foto accoppiatori. Una maggior fetta di circuiti resta non soggetta a protezione sul lato campo e i circuiti alimentatori a essi relativi (DC/DC di costo elevato) devono essere maggiormente dimensionati; inoltre, a volte può servire l isolamento anche tra gli ingressi, che non sempre sono riferiti allo stesso potenziale, questo si ottiene utilizzando gli amplificatori di isolamento, mentre, con l isolamento digitale sarebbe necessario l uso di tanti convertitori quanti sono gli ingressi. Descrivere le tipologie di cavi I cavi maggiormente utilizzati nelle applicazioni di controllo sono: twistati, schermati o schermati e twistati. Un altra tipologia di cavi di interesse sono i cavi coassiali, composti da un conduttore di rame interno circondato da uno strato tubolare isolante a sua volta circondato da uno schermo conduttore (calza). I cavi coassiali danno prestazioni migliori del doppino twistato e schermato a frequenze elevate (>100kHz) e quindi sono poco usati nelle applicazioni di controllo. I cavi a schermo sono utilizzati contro accoppiamenti capacitivi non percorsi da corrente a massa da un lato solo. I cavi twistati sono utilizzati contro un accoppiamento magnetico e capacitivo. Regolatore PID Trascuro R3 in ipotesi di un filtraggio di alta frequenza dell azione derivativa.

2 Descrivere i circuiti di condizionamento (inseguitore, conversione corrente_tensione, messa in scala, filtri) Parlare del condizionamento di ingressi analogici I sensori sono delle sorgenti di segnali di diverse tipologie, richiedenti ciascuna uno specifico trattamento e condizionamento, prima del campionamento e della conversione in valori numerici. I segnali possono essere divisi in ANALOGICI (grandezze fisiche variabili con continuità nel tempo come temperatura, pressione, livelli, portate, ) e DIGITALI (che rappresentano lo stato di componenti dell impianto, come valvole e interruttori, oppure il superamento o meno di valori limite da parte di variabili di processo, ). Il condizionamento di ingressi analogici consiste in: -Filtraggio antialiasing (passivo/attivo), detto l aliasing il fenomeno per cui si ha una trasposizione a bassa frequenza del segnale durante il campionamento, cioè la trasposizione del segnale nella banda di controllo, del rumore. -Amplificazione o attenuazione (ovvero una messa in scala del segnale): per acquisire tensioni superiori a quelle accettate dal convertitore A/D è necessario ridurle, ovvero metterle in scala, funzione che si ha tramite un partitore di tensione -Adattamento d impedenza: un trasduttore è generalmente modellabile come un generatore reale di tensione, se il circuito si interfaccia il trasduttore assorbe corrente, la misura quindi è affetta da errore, pari alla caduta di tensione sulla resistenza interna del generatore. E quindi importante che il circuito di acquisizione presenti impedenza di ingresso elevata. E anche importante che il primo stadio del circuito di acquisizione presenti impedenza di uscita bassa, in modo da fornire il segnale acquisito ai circuiti a valle indipendentemente dalla corrente che essi assorbono. Queste funzionalità sono realizzata da un OpAmp in configurazione di buffe ring (inseguitore). -Isolamento galvanico: E la condizione per cui tra due punti a differente potenziale non ha luogo una circolazione di corrente continua. Non è possibile lo spostamento dei portatori di carica da un punto all altro, mentre l energia elettrica può ancora essere scambiata mediante fenomeni quali induzione o accoppiamento capacitivo. Tale condizione equivale ad avere una resistenza elettrica infinita tra i due punti. Due circuiti isolati galvanicamente presentano un impedenza per le correnti continue superiore a 100 MOhm, cioè è sostanzialmente impedita la circolazione, tra i due circuiti, delle correnti continue e di quelle di bassa frequenza (50-60 Hz) oltre che delle frequenze di rete. -Conversione corrente-tensione: per convertire in tensione generalmente le si fa percorre un resistore di resistenza opportunamente scelta e si rileva la caduta di tensione ai capi del resistore. Questo circuiti è valido per correnti di alto livello, per un basso livello occorrerebbe un resistore Rc di resistenza troppo elevata (alcuni MOhm). In altre parole non si ha un buffe ring e al suo posto si ha un feedback con Rc. -Elaborazioni specifiche, quali la trasduzione resistenza-tensione.

3 Descrivere gli amplificatori per il condizionamento (operazionali da strumentazione) I convertitori A/D richiedono in ingresso segnali con fondo scala di alto livello (qualche volt), i segnali analogici sono normalmente di basso livello (mv), quindi per il corretto funzionamento dei convertitori occorre amplificare i segnali, utilizzando gli amplificatori (operazionali, da strumentazione, d isolamento). Gli amplificatori da strumentazione sono usati per amplificare una tensione presente ai morsetti di in ingresso per un fattore prefissabile dall utente (1-100). Si nota che Rg è il resistore esterno con cui si imposta il guadagno, mentre Rf è la resistenza di fuga, verso massa. Questa tipologia di amp. Presenta le seguenti proprietà: -altissima impedenza di ingresso -offset e deriva in temperatura bassi -elevata linearità -guadagno molto stabile -bassa impedenza d uscita -elevata reiezione dei segnali di modo comune Per prestazioni elevate si utilizzano diversi stadi. Descrivere gli amplificatori per il condizionamento (operazionali d isolamento) L amplificatore d isolamento è un amplificatore da strumentazione con circuito di ingresso isolato galvanicamente dall alimentazione e dal circuito di uscita. Può essere di due tipi : a trasformatore o ad effetto ottico. L amplificatore d isolamento a trasformatore realizza il trasferimento di energia senza connessioni elettriche mediante l induzione elettromagnetica. L amplificatore da isolamento a effetto ottico è realizzato mediante foto accoppiatori (accoppiamento di un LED con un elemento fotosensibile), Il LED emette una radiazione luminosa proporzionale alla corrente che lo perocorre, il fototransistor è percorso da una corrente proporzionale alla radiazione che ne illumina la base. Descrivere le differenze tra i collegamenti single-ended e differenziali Un dispositivo come un sensore può trasmettere la propria informazione in due modalità - Single ended: solo il terminale alto del trasduttore è collegato ai circuiti di amplificazione e conversione, i terminali bassi sono tutti collegati alla massa di campo, a sua volta collegata alla massa del sistema di acquisizione, per n segnali da trasmettere occorrono quindi n+1 fili. Si ha un ritorno comune per tutti i segnali acquisiti, un funzionamento fortemente dipendente dalle differenze di potenziale tra le masse, inoltre, risente di accoppiamenti condotti sul ritorno comune. Si tratta, comunque, di una soluzione adeguata solo se la ddp tra le masse è sufficientemente piccola rispetto al segnale da acquisire in modo da non determinare apprezzabile errore di misura. La ddp tra le masse del campo e dei circuiti di acquisizione appare nei collegamenti single ended in serie al segnale. - Differenziale: sia il terminale alto che quello basso del trasduttore sono connessi direttamente agli ingressi dei circuiti di amplificazione e conversione, per n segnali da trasmettere occorrono quindi 2n fili, si tratta, comunque, di una soluzione più costosa. Quindi, ciascun segnale viene trasmesso con due fili, l anello di massa viene eliminato e il segnale può essere a massa o flottante. E necessario prevedere un percorso verso massa delle correnti di polarizzazione dell amplificatore, se questo non è praticabile, si può ricorrere agli amplificatori di isolamento. La ddp di potenziale tra le masse del campo e dei circuiti di acquisizione appare nei collegamenti differenziali come tensione di modo comune.

4 Descrivere gli amplificatori per il condizionamento (operazionali) Le tensioni Vd, V1 e V2 sono la tensione differenziale d ingresso e le tensioni riferite a massa applicate ai due terminali di ingresso. Vu la tensione di uscita, Vos è la tensione di offset (o tensione che è necessario applicare in ingresso per annullare l uscita) Val e Val le tensioni di alimentazione, Zi e Zcm le impedenze d ingresso differenziale e di modo comune, Zu l impedenza d uscita, Ia, Ib le correnti di polarizzazione dei due terminali di ingresso, Gd il guadagno differenziale e Gcm il guadagno di modo comune. Risulta che Gcm=Gd/CMRR, dove CMRR è la reiezione di modo comune, ed è comunemente espressa in db. Calcolando la tensione di uscita dell operazionale si ha: Con (V1+V2)/2 tensione di modo comune e Voff è presente in uscita anche con ingressi nulli (derivante da Vos e dalle correnti di polarizzazione). I due ingressi sono detti INVERTENTE (-) e NONINVERTENTE (+), le tensioni di alimentazione sono tipicamente opposte, permettendo il funzionamento lineare per valori positivi e negativi dei segnali d ingresso e di uscita. Le configurazioni più utilizzati risultano essere le seguenti: L operazionale in questi tre casi è rappresentato con in simbolo usuale dell amplificatore ideale, un puro amplificatore di tensione a guadagno infinito, banda infinita, impedenza d ingresso infinita, impedenza d uscita nulla, uscita non affetta da offset e assenza di correnti di polarizzazione. Si possono considerare nulle le correnti entranti o uscenti dai terminali d ingresso (in quanto impedenza d ingresso infinita) e nulla la differenza di potenziale tra gli stessi terminali (guadagno differenziale infinito); da qui si ricavano le relazioni IN/OUT descritte in figura. La retroazione modifica le impedenze d ingresso e uscita. L impedenza d uscita della configurazione non invertente a bassa frequenza è sostanzialmente quella dell operazionale in anello aperto divisa per il guadagno differenziale. INSEGUITORE: Ad esempio, se nella configurazione non invertente si pone R2=0 e R1->, si ottiene che Vi=V0 e quindi si ha un inseguitore o buffer, il quale è utilizzato come adattatore d impedenza, ha un elevata impedenza d ingresso, che consente di rilevare una tensione assorbendo una corrente di solito sufficientemente piccola da non perturbare la misura, e bassissima impedenza d uscita, tale da pilotare il carico a valle in modo indipendente dalla corrente assorbita da questo, nei limiti della corrente massima erogabile dall amplificatore.

5 Descrivere le interferenze e gli accoppiamenti (schematizzazione) Con accoppiamento tra due circuiti si intende la generazione di segnali elettrici indesiderati in un circuiti da parte dell altro. Si distinguono diverse tipologie: CONDOTTO (percorsi comuni di massa e di linee di collegamento), CAPACITIVO (capacità parassite tra i cavi dei circuiti) e INDUTTIVO (flusso magnetico prodotto da una corrente in un circuito che si concatena all altro). L accoppiamento CONDOTTO si manifesta quando correnti e circuiti fluiscono attraverso un impedenza comune. Quindi se due circuiti hanno in comune un tratto verso massa la differenza di potenziale su di uno dipende dalla corrente verso massa dell altro, se hanno in comune il percorso verso alimentazione la corrente assorbita da uno modifica la tensione dell altro. Si ricordi che l impedenza è la relazione dinamica tra la corrente che attraversa un circuito e la tensione ai suoi capi. L accoppiamento capacitivo è dovuto a capacità parassite distribuite lungo i conduttori: C12: capacità parassita tra i due conduttori C1g,C2g: capacità parassite verso massa Il rumore in tensione è quindi proporzionale a: ampiezza del segnale sorgente di disturbo, frequenza di tale segnale, impedenza verso massa del circuito soggetto al disturbo (deve essere mantenuta piccola)e cap.parassita. Si può ridurre il rumore causa da accoppiamento capacitivo aumentando la distanza tra i conduttori, orientando diversamente i conduttori e circondando il conduttore con uno schermo (lamina sottile). Quest ultimo è una lamina sottile che va collegata a massa da una sola estremità (con frequenze minori di 1MHz) e in genere è schermato un doppino con coppie intrecciate ( twistate ) in modo da ridurre l intensità dei campi generati da cavi di potenza, inoltre è in grado di ridurre radicalmente la capacità parassita. C1S: capacità parassita tra il conduttore 1 e lo schermo C2S: capacità parassita tra il conduttore 2 e lo schermo CSG: capacità parassita dello schermo verso massa. C12 in genere è presa in modo tale da essere molto piccola. L accoppiamento induttivo è dovuto alle correnti indotte tra due conduttori per effetti elettromagnetici: La corrente I1 che circola nel primo circuito produce un campo magnetico proporzionale alla corrente. Il secondo circuito concatena un flusso (con M12 mutua induttanza) Se il flusso concatenato è variabile, si induce una forza elettromotrice indesiderata pari a : Sorgenti notevoli di disturbi di questo tipo sono le unità di alimentazione di potenza che modulano la tensione con tecniche di switching o PWM, cioè collegando e staccando l alimentazione ad alta frequenza. L accoppiamento induttivo può essere ridotto allontanando i circuiti, disponendo i circuiti in modo da minimizzare l area della maglia costituita dal secondo circuito perpendicolare alle linee di campo generate dal primo oppure utilizzando dei cavi intrecciati (twistati), in cui l area della maglia si riduce rispetto ad un doppino piatto, se la corrente è la stessa nei due fili il campo netto per ogni periodo della treccia è nullo. Lo schermo (a massa ad un estremità) invece non ha effetto sull accoppiamento induttivo. Inoltre, attorno ad un conduttore e percorso da corrente opposta ne annulla il campo magnetico (all esterno del lo schermo il campo è nullo). Uno schermo cilindrico è equivalente ad un conduttore centrale, facendo ritorno, crea una maglia di area quasi nulla assieme al conduttore. Talvolta, può essere utile per ridurre l area e quindi ridurre il disturbo sul conduttore, ma dipende anche dalla frequenza del segnale stesso.

6 Segnali tipici in tensione e corrente Si distinguono le trasmissioni in corrente e in tensione. La trasmissione in corrente presuppone che le uscite dei trasmettitori siano dei segnali in corrente nel campo 4-20mA. In questo caso si ha uno ZERO VIVO (nel senso che un segnale di 0mA è indice di un malfunzionamento delle apparecchiature), tramite cui si distingue l interruzione del circuito dal segnale nullo, consentendo di alimentare il trasmettitore. Quest ultimo opera come un generatore di corrente e può trasmettere a grandi distanze. La trasmissione in tensione presuppone che le uscite dei trasmettitori siano segnali in tensione nel campo [0,5]V,[0-10]V e [10,-10]V. Si utilizzano in applicazioni di laboratorio e nelle macchine automatiche in quanto le distanze di trasmissione si riducono di molto. Oggi è in atto la tendenza verso la trasmissione digitale dei segnali (fieldbus,ehternet). Campionatore-mantenitore (cenni) Alcuni tipi di convertitori, come quelli ad approssimazioni successive e flash, richiedono che il segnale di ingresso rimanga costante all istante di campionamento e conservarlo per il tempo necessario alla conversione. Considerata l elevata velocità dei convertitori, può non essere necessario utilizzare un S/H, la necessità o meno di utilizzarli dipende dal tempo ta impiegato dal convertitore per eseguire la conversione, dalla velocità di variazione del segnale, dall accuratezza desiderata (il cambiamento di ta può dar luogo ad un errore di lettura). Se i segnali da acquisire sono di frequenza elevata e si desiderano risoluzioni elevate, è necessario utilizzare i S/H che possono avere tempi di apertura (cioè di rilevazione del segnale) molto minori di quelli dei convertitori. Esso opera in due fasi gestite dalla tensione di commutazione applicata all ingresso di S/H: SAMPLE (interruttore chiuso) nel quale la tensione di uscita segue l andamento del segnale stesso; HOLD (interruttore aperto) nel quale la tensione di uscita si mantiene costante al livello che il segnale aveva nell istante di apertura dell interruttore. Risoluzione di una catena di misura Un parametro fondamentale per il dimensionamento di un sistema di acquisizione è la sua risoluzione complessiva. Il punto di partenza è costituito dall ampiezza del campo di misura Vfs (span) del sensore e della sua risoluzione R. Il convertitore dovrà avere una risoluzione non inferiore a quella del sensore per sfruttarne completamente le potenzialità: n dovrà essere tale che 1/2^n < R. In pratica si considera la disuguaglianza tra i reciproci, cioè il numero 2^n di codici generati dal convertitore, espresso in db che deve essere superiore al range dinamico del segnale, definito come l inverso della risoluzione in db. Affinché all aumento della risoluzione del convertitore corrisponda un miglioramento effettivo dell accuratezza della misura è necessario che i componenti del sistema abbiano nel loro complesso caratteristiche adeguate. L accuratezza è uno dei parametri che definiscono la qualità di una conversione dati: definisce l errore totale massimo di ogni lettura effettuabile. Generalmente, per accuratezza di un sistema completo si intende un valore comprensivo di tutti i tipi di errore introdotti dai vari componenti.

7 Condizionamento di ingressi digitali (contatti puliti o alimentati) Un ingresso digitale è un segnale il cui contenuto informativo è esprimibile con un solo bit (segnale logico o booleano). Tipicamente gli ingressi digitali provengono da un contatto (interruttore), meccanico o elettronico. Il contatto può essere pulito, cioè non sottoposto a tensione, o alimentato. I segnali digitali si distinguono in segnali di stato e da contare. Il condizionamento degli ingressi digitali prevede l adattamento del livello di tensione, alimentazione dei contatti puliti e isolamento galvanico. In figura si ha un contatto alimentato, adattato e isolato galvanicamente ad un foto accoppiatore. Il foto accoppiatore permette il passaggio di segnali tra due circuiti galvanicamente isolati e operanti, in generale, a diversi livelli di tensione; essi sono costituiti da un LED e da un transistor o un fotodiodo. Il fototransistor è regolato dall intensità della radiazione luminosa sulla giunzione collettorebase, che agisce come la corrente di base producendo una corrente collettoreemettitore amplificata. Fotoaccoppiatori e isolamento ottico Per isolatore ottico s'intende un cosiddetto diodo ottico (foto accoppiatore), dunque un genere di valvola per la luce. Questo componente fa passare la luce soltanto in una direzione. Funziona però solo con luce polarizzata: in una direzione il suo piano di polarizzazione viene ruotata di 90, mentre nell'altra direzione rimane inalterato. Il foto accoppiatore permette il passaggio di segnali tra due circuiti galvanicamente isolati e operanti, in generale, a diversi livelli di tensione; essi sono costituiti da un LED e da un transistor o un fotodiodo. ES. L amplificatore da isolamento a effetto ottico è realizzato mediante foto accoppiatori (accoppiamento di un LED con un elemento fotosensibile), Il LED emette una radiazione luminosa proporzionale alla corrente che lo perocorre, il fototransistor è percorso da una corrente proporzionale alla radiazione che ne illumina la base.

8 Condizionamento di uscite digitali (isolamento a relay) situazione pericolosa per le persone o per il macchinario. Come per i segnali analogici, è molto utile (e in molti casi tassativo) isolare ingressi e uscite digitali che possono essere connessi a tensioni elevate e sottoposti a possibilità di scariche. Il modello più utilizzato è quello illustrato in figura in cui si utilizza un relay elettromeccanico che va ad isolare l attuatore qualora si presenti una Condizionamento di ingressi analogici Gli ingressi analogici rappresentano le grandezze fisiche variabili con continuità nel tempo. Vengono condizionati tramite connessioni ad amplificatori operazionali, solitamente in tre diverse configurazioni: Condizionamento di uscite analogiche Le uscite analogiche di un sistema di controllo provvedono a pilotare alcuni tipi di attuatori, indicatori e registratori). Esse forniscono normalmente tensioni di alto livello ( [+1,-1]V,[10,-10]V) o segnali in corrente nel campo [4-20] ma. Sono realizzate con convertitori D/A sulle cui uscite vengono inseriti circuiti amplificatori. Come gli ingressi, anche le uscite devono spesso essere isolate galvanicamente, in figura si riporta un uscita analogica con amplificatore di isolamento, in grado di pilotare sia carichi di tensione (P1 chiuso) che in corrente (P2 chiuso).

9 Condizionamento di una TC E utilizzata per misurare la temperatura relativa tra i giunti caldo e freddo (quello caldo posto a contatto con la temperatura che si intende misurare), si effettuata una compensazione sul giunto freddo tramite il s.s. I segnali differenziali a basso livello (decine di mv) generati dalle termocoppie, richiedono un filtraggio differenziale e di modo comune e una notevole amplificazione. La presenza del circuito di riconoscimento della condizione di TC aperta implica che le condizioni operative in cui le TC si trovano spesso ad operare possono talvolta provocarne l interruzione. Per distinguere questa situazione dalla tensione di misura di 0V, la resistnza R3 forza l ingresso negativo a +Val, valore molto più alto di quelli attesi e quindi facilmente riconoscibile. Il valore di R3 è scelto sufficientemente alto da non influire in modo apprezzabile sulle misure in condizioni di normale funzionamento. La resistenza R4, di pochi Ohm, permette lo scorrimento verso massa della corrente di fuga dell amplificatore. I varistori hanno la funzione di protezione dei circuiti da tensioni impulsive elevate. Si amplifica dapprima il segnale, successivamente si ha un amplificatore single-ended in modalità invertente (cambia il segno) ed infine si ha un sommatore il cui effetto è di sommare i contributi della corrente del s.s. e delle tensioni restanti.

10 Condizionamento di una termo resistenza La trasduzione resistenza-tensione nei sensori resistivi, come le termoresistenze e gli estensimetri, si realizza mediate ponte di Wheatstone, o mediante un generatore di corrente costante. Poiché i sensori resistivi hanno generalmente bassa sensibilità, uno dei problemi del condizionamento è di riuscire a ottenere una sufficiente dinamica (escursione) del segnale di uscita. In figura è mostrato il sistema con generatore di corrente, questa soluzione, piuttosto che quella con il ponte, risulta essere più economica, ma, avendo una scarsa sensibilità, non risulta avere un guadagno elevato per la tensione di riposo Voff: tensione per azzerare Vout ad una data temperatura. Vout= [Ik(RTD+Rc+R c)g]-voff Con I sistemi a ponte, invece, si ottengono maggiori sensibilità, poichè questi permettono di azzerare la tensione di riposo e quindi di amplificare maggiormente il segnale differenza; hanno però un costo superiore rispetto alla soluzione precedente. Descrivere i collegamenti di massa Si chiama massa di segnale (signal ground) un nodo di riferimento rispetto al quale vengono misurate le tensioni negli altri nodi di un circuito. Le masse sono normalmente collegate a terra (earth ground) per ragioni di sicurezza e per non lasciarne fluttuare il potenziale, ancorandolo a quello di terra. In un sistema di acquisizione relativo ad un processo industriale si distinguono: massa di campo (sensori ed attuatori) e massa dei circuiti di acquisizione (schede contenute in un armadio o rack). Entrambe le masse sono connesse localmente a terra. La terra tuttavia non è una superficie perfettamente equipotenziale, si ha un collegamento tra le masse attraverso le terre (anello di massa o ground loop) con possibile circolazione di corrente (problema rilevante per impianti di grosse dimensioni). La connessione in SERIE è la più semplice ma anche la più rumorosa. La connessione in PARALLELO richiede più fili e può generare accoppiamenti ad alte frequenze. La connessione MULTIPUNTO usa barre di massa cui si collegano fili di lunghezza ridotta (necessaria per alte frequenze, >10MHz). La connessione più utilizza è un misto SERIE-PARALLELO, si fanno viaggiare insieme con connessione serie circuiti aventi proprietà di rumore simili e li si connette al punto di riferimento con una connessione parallela.