Misure Elettroniche, Sensori e Trasduttori 1

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1 Università degli Studi di Genova Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica (CL) Misure Elettroniche, Sensori e Trasduttori Docente: Prof. Giacomo Mario Bisio Esempi di domande d esame. Struttura e principi di funzionamento dello strumento a bobina mobile e magnete permanente. (a) Quale relazione intercorre tra sensibilità amperometrica e corrente di fondo scala. (b) Come si definisce la sensibilità voltmetrica di uno strumneto PMMC? Quale elazione intercorre tra sensibilità amperometrica e voltmetrica?. Dato uno strumento PMMC, sia B traferro =0.T, e siano D =.5cm e l =.5cm le dimensioni delle spire. Si determini il numero di spire necessarie ad avere una coppia di.5µnm quando la corrente nelle spire è di 00µA.. Uno strumento a bobina mobile (PMMC), con corrente di fondo scala I FS =50µA e resistenza interna M = 700Ω, deve essere impiegato come voltmetro nei campi di valore di tensione seguenti: 0 V, 50 V e 00 V. a) Calcolare il valore della resistenza addizionale che si deve impiegare nei casi. b) Determinare, nei casi, l errore (sistematico) di misura dovuto al valore finito della resistenza del voltmetro, quando la resistenza interna del circuito di misura è pari a 00Ω.. a) Dato il circuito di figura determinare le caratteristiche (valore di resistenza e potenza dissipata) del resistore di shunt, per incrementare la portata dello strumento a 0mA, 50mA, 00mA. b) Descrivere se e come l inserzione dell amperometro influenzi la corrente misurata. Figura : m = 990Ω e I FS =50µA 5. Principi di funzionamento degli strumenti elettrodinamici. Loro impiego nelle misure di corrente, tensione, e potenza dc e ac.

2 6. Calcolo della forza vincolare nell elettrometro a bilancia. 7. Misure di tensione continua con metodi potenziometrici. 8. Trasformatori TV e TA e loro condizioni di impiego. 9. Misure di tensione don strumenti DMM; considerare la conversione da CA a CC basata sul valore medio, efficace e di picco. 0. Schema circuitale per la misura di resistenze (ohmmetro analogico).. Circuiti a ponte per la misura di (a) resistenze, (b) capacità, (c) induttanze.. Classificazione dei circuiti a ponte per misure di impedenza.. Un ponte di Maxwell (v. figura ) alimentato a 0kHz ha C =0.µF e = 00Ω. Se entrambi i resistori e possono essere variati da 00Ω a kω, calcolare il campo di induttanza e fattori Q che possono essere misurati. x L x ~ C Figura : Ponte di Maxwell. Volendo misurare induttanza (L) e fattore di qualità (Q) di un induttore, tracciare un circuito a ponte con elementi regolabili di cui uno corrisponda ad L e l altro a Q. 5. Volendo misurare capacità (C) e fattore di qualità (Q) di un condensatore, tracciare un circuito a ponte con elementi regolabili di cui uno corrisponda ad C e l altro a Q. 6. Illustrare il funzionamento del ponte di impedeze a trasformatore. 7. Misure vettoriali di tensione per la detterminazione di impedenze. 8. Si consideri il circuito di misura in figura a) Se la resistenza X viene determinata mediante il rapporto V/A, quale errore si commette se la resistenza del voltmetro è finita e di valore V? b) Si può pensare di ridurre l effetto di V aumentando? c) L errore dipende dalla resistenza dell amperometro A (non evidenziata esplicitamente in figura)? 9. Nel circuito di un Qmetro alimentato da un generatore di tensione di 00 mv alla frequenza di.6 MHz, si misura una tensione di V ai capi del condensatore di valore pari a 80 pf in condizione di risonanza. a) Quale è il valore dell induttanza e della resistenza serie del bipolo sotto misura?

3 E V X 0 A Figura : b) Come si modificherebbe la tensione ai capi del generatore se la sua resitenza interna fosse pari a 5 ohm? 0. Descrivere la funzionalità di un oscilloscopio mediante diagramma a blocchi.. Illustrare i principi della deflessione elettrostatica e definire il fattore di deflessione.. Effetti di tempo di transito nella regione di deflessione: ricavare la risposta in frequenza.. Con riferimento alla figura (placchette di deflessione) determinare per quale valore della tensione V d il fascio elettronico passa per il punto B, quando la tensione di accelerazione del fascio è V b =0 V.(m elettrone =9. 0 Kg, q elettrone = Coulomb) Vd cm 6 cm B Vb=0 V Vd fascio elettronico per Vd=0 Figura : Placchette di deflessione. Descrivere la struttura e la funzionalità delle varie parti di un tubo a raggi catodici (CT). 5. Sonde di tensione passive per oscilloscopi. 6. Struttura dell oscilloscopio digitale e tecniche di campionamento della forma d onda. 7. Illustrare comparativamente gli schemi diretto e reciproco per la misura di frequenza.

4 8. Sensori per la misura di temperatura basati su resistenze. 9. La resistenza di una termistore alla temperatura di θk(gradi Kelvin) è data da (θ) =.68 e 050(/θ /98) kω Il termistore è utilizzato nel circuito a ponte di figura 5: a) calcolare il campo di variazione di Vout(tensione a vuoto) quando la temperatura varia da 0a50 o C; b) determinare la nonlinearità della relazione ingressouscita alla temperatura di o C come percentuale dell escursione del segnale in uscita. V θ Vout Figura 5: V =.56V, =kω, =0.9kΩ e =.kω 0. Un termometro a resistenza di platino è tarato interpolando tra le temperature di 0 o C, 00 o C e 9.6 o C (punto di fusione dello zinco). I corrispondenti valori di resistenze sono 00Ω, 8.5Ω e 5.7Ω. Tenendo conto che la variazione della resistenza con la temperatura è esprimibile come (T )= 0 ( αt βt ) con T in o C, si determini la forma numerica di tale relazione.. Principi di impiego dei sensori a termocoppia.. Una termocoppia ferrocostantana èusatapermisuraretemperaturetra0e00 o C.Ivaloridi f.e.m. sono E 00,0 = 568 µv E 00,0 = 0777 µv E 00,0 = 65 µv (a) determinare la nonlinearità della risposta tensionetemperatura a 00 o C e a 00 o C in percentuale del campo di misura; (b) considerando la risposta a a 00 o C e a 00 o C esprimere la f.e.m. in funzione della temperatura come E T,0 = a T a T, determinando a e a (verificare il risultato); (c) se si misura una f.e.m. di 500 µv quando la temperatura della giunzione di riferimento èa0 o C, a quale temperatura si trova la giunzione di misura?. Una termocoppia ferrocostantana è usata per misurare temperature tra 0 e 00 o C,doveil valore di f.e.m. è E 00,0 = 65 µv

5 (a) se la nonlinearità della risposta tensionetemperatura a 00 o C e a 00 o C in percentuale dell escursione del segnale di uscita è rispettivamente di.5% e %, determinare i valori di f.e.m. che si osservano a queste temperature; (b) considerando la risposta a a 00 o C e a 00 o C esprimere la f.e.m. in funzione della temperatura come E T,0 = a T a T, determinando a e a ; (c) se si misura una f.e.m. di 500 µv quando la temperatura della giunzione di riferimento èa0 o C, a quale temperatura si trova la giunzione di misura?. Principi di funzionamento degli estensimetri a resistenza (strain gauge): relazione funzionale tra variazione di resistenza e deformazione; campi di utilizzo. (a) Se il fattore di calibro G di un estensimetro vale, se l estensimetro nella condizione di riposo ha una lunghezza di.5 cm, se osservo un incremento di resistenza pari all 8%, di quanto si è allungato il filo dell estensimetro? 5. Trasduttori di forza piezoelettrici: tipica risposta in frequenza e soluzioni circuitali. 6. In quale senso i trasduttori piezoelettrici sono sensori di forza diretti? 7. Principi di funzionamento di un accelerometro. 8. Sensori di spostamento di tipo (a) capacitivo e (b) induttivo. 9. Sensori di tipo magnetico per la misura di spostamenti e velocità angolari. 0. Dispositivi magnetici sensibili agli spostamenti: circuito magnetico e sua dipendenza dai fattori geometrici.. Caratteristiche ed utilizzo del trasduttore ad effetto Hall.. Illustrare esemplificando su un caso specifico, la struttura generale di un sistema di misura.. Caratteristiche statiche degli elementi di un sistema di misura.. Calibrazione di strumenti di misura, schema diretto e inverso. 5

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