Teoria generalizzata degli strumenti di misura. Parte Prima FUNZIONI PRINCIPALI:

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Lamberto Antonella
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1 Teoria generalizzata degli strumenti di misura. Parte Prima analisi funzionale di uno strumento o di una catena di misura il trasduttore elementare flussi di energia e di informazioni trasduttori come apparati che elaborano informazione conversione di energia nei trasduttori il fine dell analisi funzionale è quello di individuare le stesse funzioni, non gli stessi organi, in apparati di misura FUNZIONI PRINCIPALI: a) Sensore primario. b) Elemento di trasmissione. c) Elemento di conversione di grandezza o trasformatore di variabile. d) Elemento di elaborazione dati. e) Elemento per la memorizzazione dei dati. f) Elemento per la presentazione dei dati.

2 SENSORE PRIMARIO E' l'elemento in diretto contatto con il misurando, o è preceduto da un elemento trasmettitore riceve energia dal misurando ed a volte opera una trasformazione di variabile. è importante che perturbi il meno possibile il misurando assorbendo il minimo di energia. ELEMENTO DI TRASMISSIONE E un elemento in cui la grandezza di ingresso è dello stesso tipo di quella in uscita. ELEMENTO DI TRASMISSIONE Opera una trasduzione di posizione del segnale utile. Può essere un componente semplicissimo: un tubo, un alberino di trasmissione, una coppia di fili conduttori, un campo elettromagnetico,... ELEMENTO TRASFORMATORE DI VARIABILE per facilitare la trasmissione del segnale a distanza, per elaborare il segnale (amplificazione, modulazione e demodulazione, filtraggio, integrazione, derivazione) per memorizzarlo o presentarlo all'uscita in una forma accessibile ai sensi dell'uomo. ELEMENTO DI ELABORAZIONE Si opera un'elaborazione: per ottenere una codifica dei segnali in una forma che consenta una più efficiente trasmissione (es. modulazione FM, AM, PCM,..) per aumentare il livello dei segnali (amplificazione) Si opera un'elaborazione: per trasformare la variabile nell'ambito dello stesso fenomeno fisico (integrazione dell'accelerazione per ottenere la velocità), per presentare i dati nella forma più opportuna (conversione analogico/digitale e viceversa), per eliminare certi tipi di disturbo (filtraggio di frequenze o di livelli). ELEMENTO PER LA MEMORIZZAZIONE DEI DATI numerose informazioni provenienti da un sistema di misura. memorie a breve o lungo termine per visualizzazione di fenomeni veloci o per conservazione dati possibilità di cambiare la scala dei tempi in riproduzione Tipi di memorie: -Macchine foto-cinematografiche -Registratori meccanici a penna, poligrafi -Oscilloscopi a memoria analogici o digitali multicanali -Oscillografi galvanometrici o potenziometrici -Registratori magnetici AM, FM, PCM,... -Memorie digitali ROM, RAM,... ELEMENTO PER LA PRESENTAZIONE DEI DATI deve fornire l'uscita in una forma a cui i sensi dell'uomo siano reattivi. La vista è la facoltà più ampiamente utilizzata negli strumenti di misura, raramente si può avere un'uscita sonora.

rappresentato tramite elementi ingresso/uscita con una schematizzazione a parametri concentrati.

3 una scala graduata con l indice un indicatore digitale una tabella di dati stampati un grafico,... IL TRASDUTTORE ELEMENTARE IL TRASDUTTORE ELEMENTARE Ciascuno dei cinque elementi funzionali visti sopra può essere rappresentato tramite elementi ingresso/uscita con una schematizzazione a parametri concentrati. Tali elementi vengono chiamati trasduttori elementari. Sono passivi o attivi a seconda che richiedano o meno una fonte addizionale di energia per svolgere la loro funzione.

La grandezza in ingresso produce direttamente la grandezza in uscita. Esempi di trasduttore attivo: - termocoppie - sensori piezoelettrici - elementi trasmettitori,.

- sensori potenziometrici, capacitivi, a trasformatore differenziale - estensimetri elettrici a filo, - termometri a resistenza,.

4 La grandezza in ingresso produce direttamente la grandezza in uscita. Esempi di trasduttore attivo: - termocoppie - sensori piezoelettrici - elementi trasmettitori,... La grandezza in ingresso non produce direttamente l uscita, ma modifica un parametro, si ha una informazione latente. - sensori potenziometrici, capacitivi, a trasformatore differenziale - estensimetri elettrici a filo, - termometri a resistenza,... Se il potenziometro non viene alimentato, lo spostamento xi del cursore, non causa alcuna variazione nella tensione di uscita eu. Se la tensione di alimentazione eal è sinusoidale il segnale analogico xi genera in uscita un segnale modulato in ampiezza

5 Sia per i trasduttori attivi che per i passivi bisogna considerare anche la presenza di altri ingressi: le grandezze di disturbo Flussi di energia e di informazioni Conoscenza di un argomento è l assegnazione di una certa probabilità alle varie possibili soluzioni. L informazione è qualsiasi processo che fornisce una correzione ad una assegnazione di probabilità, è indipendente dal tipo di codice usato. Si supponga di voler misurare una tensione incognita con un voltmetro digitale a tre cifre con f.s. di 200 V e che l incertezza tipo sia dovuta solo alla risoluzione prima di eseguire la misura uno qualunque dei duecento valori è possibile, la probabilità per ogni valore è 1/200 se l incertezza della misura è inferiore al valore della cifra meno significativa del voltmetro, dopo la misura, la probabilità è 1 per il valore misurato, mentre è zero per gli altri 199 se la misura è affetta da un incertezza di + 2V, ognuno dei 5 valori della fascia di incertezza ha il 20% di probabilità e tutti gli altri valori zero. In un trasduttore attivo ingresso e uscita hanno lo stesso formato dell informazione. In un trasduttore passivo c è la possibilità di convertire il formato dell informazione, mediante una modulazione o una codificazione ottenuta agendo sull ingresso di alimentazione.

7 TRASDUTTORI COME APPARATI CHE ELABORANO INFORMAZIONE Le grandezze componenti le varie forme di energia presenti nei trasduttori forniscono il supporto fisico al flusso di informazione dall ingresso all uscita. L informazione può essere espressa in varie forme e codici Tra le forme più usate, oltre ai codici convenzionali corrispondenti ai vari linguaggi, sono da considerare: livello analogico onda sinusoidale e relative modulazioni treno di impulsi e relative modulazioni Per segnale si intende una grandezza fisica che varia in funzione del tempo e dello spazio. Esempi: scheda preforata pressione in un impianto temperatura in un ambiente

10 La modulazione della posizione o del ritardo degli impulsi è impiegata nei sistemi numerici a codice. Il treno di impulsi esprime, dopo una successione di livelli 0, 1 un codice (unaparola, una cifra) Il codice Gray é stato ideato in modo che nel passaggio da una cifra alla successiva viene interessato un solo bit, mentre nel codice binario naturale questo non avviene e in caso di posizione ambigua del segnale l uscita invece di oscillare tra due valori contigui oscilla tra due valori completamente diversi.

CONVERSIONE DI ENERGIA NEI TRASDUTTORI Considerando i trasduttori come operatori di conversione tra diverse forme di energia, quelli attivi possono essere costituiti da tutte le combinazioni

11 CONVERSIONE DI ENERGIA NEI TRASDUTTORI Considerando i trasduttori come operatori di conversione tra diverse forme di energia, quelli attivi possono essere costituiti da tutte le combinazioni possibili delle otto principali forme di energia ad esempio nei termometri a termocoppie si ha una combinazione di ingresso termico con un uscita elettrica (TE) nei dispositivi a effetto Peltier abbiamo ingresso elettrico e uscita termica (ET) Bisogna tener conto che l energia è data dal prodotto di due grandezze fisiche, quindi in realtà la grandezze fisiche presenti nei trasduttori attivi sono quattro, sei in quelli passivi. Volendo considerare tutte le combinazioni si arriva 512 possibili combinazioni, ma questo non esaurisce il numero di tutti i possibili strumenti. In realtà nei trasduttori possiamo avere da un punto di vista energetico altre grandezze, quelle dovute a grandezze derivate o integrali delle grandezze originarie.

14 Esercizio per casa: Lo studente prenda in considerazione uno strumento a disposizione nella propria abitazione, autovettura o comunque collegato alla vita quotidiana. Esempi possono essere: - un termostato per il controllo della temperatura nelle abitazioni - un termometro a liquido - un barometro per la misura della pressione atmosferica - un tachimetro di un autovettura - un contachilometri di un autovettura - un manometro per stima della pressione in un impianto di riscaldamento - un misuratore di portata (acqua/gas) - altro... Scelto lo strumento, prese in considerazione le fonti di informazioni disponibili e sulla base di quanto trattato durante la prima settimana, lo studente dovrà: - eseguire una analisi funzionale dello strumento evidenziando con un diagramma a blocchi le parti principali che lo costituiscono; - descrivere il modello fisico su cui si basa lo strumento (eventualmente quello matematico anche semplificato); - individuare: ingressi principali, uscite, ingressi secondari che possono essere fonti di disturbo; - individuare l unità di misura - individuare o ipotizzare l incertezza sulla stima del parametro Definizione di misura secondo UNI4546 Definizione di Incertezza Definizione di stato di un sistema Definizione di Parametro

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