Acquisizione Dati. Introduzione

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali Corso di Sperimentazione sulle Macchine Acquisizione Dati Introduzione

2 Introduzione In campo scientifico e tecnologico è importante: Acquisire ed Elaborare informazioni Processo: Controllo del processo Gestione delle anomalie di funzionamento Ricerca e sviluppo Ottimizzazione del processo Verifica delle prestazioni di nuovi componenti Acquisizione Dati

3 Introduzione - 2 L acquisizione di dati e informazioni è importante in Ingegneria Si possono rilevare e registrare: Temperature, Pressioni, Velocità Concentrazioni chimiche Deformazioni, Forze Potenze, Correnti etc. 3

4 Introduzione - 3 in Medicina, Geologia, Biologia etc. Termometro Elettrocardiogramma 4

5 Introduzione - 4 in Medicina, Geologia, Biologia etc. Monitoraggio completo del paziente 5

6 Introduzione - 5 in Medicina, Geologia, Biologia etc. Movimenti tellurici (sismografi) tempo 6

7 Introduzione - 6 Nei sistemi di produzione di energia Temperatura Pressione Velocità Specie chimiche Vibrazioni Rumore Frequenza angolare Livelli Potenze assorbite 7

8 Segnali Il segnale è quella grandezza che contiene informazioni sul fenomeno fisico da rilevare Il segnale deve essere : Registrabile Analizzabile Oggettivo Manometro di Bourdon 8

9 Segnali - 2 Tutti gli strumenti di misura generano dei segnali: Se il segnale varia lentamente nel tempo è detto STATICO oppure STAZIONARIO non tutti i segnali sono STAZIONARI 9

10 Segnali - 3 Se il segnale varia rapidamente nel tempo è detto DINAMICO Periodico Casuale (random) La registrazione dei segnali deve essere realizzata in modo automatico 10

11 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali Corso di Sperimentazione sulle Macchine Acquisizione Dati Sistemi di acquisizione dati

12 Sistemi di Acquisizione Dati Fenomeno fisico Analisi dei Dati Trasdutt\ore Condizionatore di Segnale Scheda di acquisizione Software di acquisizione Computer Source: 12

13 Sistemi di Acquisizione Dati da: Trasduttore Cond. di Segnale Scheda di acq. Computer Software di acq. 13

14 Trasduttore Un Trasduttore è uno strumento che permette di correlare una grandezza fisica di interesse una grandezza leggibile e registrabile Manometro: Trasduttore di Pressione: PRESSIONE PRESSIONE Spostamento di un ago Segnale elettrico 14

15 Trasduttore - 2 Trasduttore di Pressione di tipo - Capacitivo - Differenziale Segnale in Uscita: Corrente Tensione Collegamento tipico per misure di velocità del flusso 15

16 Trasduttore - 3 Trasduttori di Temperatura Segnale in Uscita: Tensione Termocoppie È necessario un amplificatore di segnale 16

17 Trasduttore - 4 Varie Tipologie di trasduttori: Capacitivi Resistivi Piezoresistivi Piezoelettrici Principio di funzionamento Analogico (I, V) Digitale Statico Dinamico Segnale in uscita Risposta in frequenza 17

18 Condizionatore di segnale Segnale Alimentazione Segnale amplificato e filtrato Trasduttore Condizionatore di segnale 18

19 Condizionatore di segnale - 2 Diversi tipi di condizionamento del segnale Amplificazione Filtro Isolamento elettrico Multiplexing Alimentazione elettrica 19

20 Scheda di acquisizione & PC E la parte Hardware da collegare al PC Multiplexer Convertitore A/D Memoria Clock Scheda Computer 20

21 Scheda di acquisizione - 2 Multiplexer: Scheda permette il collegamento sequenziale al convertitore dei segnali in ingresso. Funziona su una frequenza impostata dal clock (orologio interno) della scheda Convertitore A/D Memoria Clock 21

22 Scheda di acquisizione - 3 Multiplexer: Convertitore A/D Converte un segnale da analogico a digitale, in modo che possa essere trattato da un PC. 2 funzioni principali: campionamento e quantizzazione Le operazioni vengono svolte alla frequenza impostata dal clock Scheda Memoria Clock 22

23 Conversione analogico-digitale Convertitore A/D A intervalli regolari viene rilevato un valore di tensione Il segnale in tensione elettrica viene trasformato in un numero binario di valore proporzionale 3 bit R V max 2 Segnale analogico Dt Segnale digitale Assume infiniti valori assume un numero definito di valori

24 Conversione analogico-digitale - 2 Ingressi analogici (Analog Input, ADC) Numero of bit È una caratteristica del convertitore A/D (12, 16, 24 bit). Influenza la minima variazione della grandezza che può essere rilevata che però dipende anche dal campo di misura impostato!! Ad es., un convertitore a 12-bit usato in un campo tra 0 e 10 V avrà una risoluzione R V V max min V N V 24

25 Scheda di acquisizione - 4 Multiplexer: Convertitore A/D Memoria Permette una conservazione veloce dei dati Può essere lineare o circolare Clock Regola la velocità di svolgimento di tutte le operazioni Scheda 25

26 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali Corso di Sperimentazione sulle Macchine Acquisizione Dati Caratteristiche delle schede di acquisizione e problematiche

27 Parametri 27

28 Parametri Velocità di campionamento (Sampling Rate) Campo di misura (Range) Risoluzione Numero di canali Metodo di campionamento (Sampling Method) Tipi di ingressi 28

29 Velocità di campionamento Definisce la frequenza con la quale è ripetuta l operazione di campionamento Dipende dalle caratteristiche del clock della scheda E indicata in hertz (Hz) f 1 f(x) t Hz Valori tipici: 100 khz 250 khz 500 khz 1,25 MHz Dt tempo 29

30 Campo di misura (range) Definisce i valori di tensione minimi e massimi che possono essere inviati alla scheda Normalmente possono essere variati via software Deve essere scelto per ottimizzare la risoluzione Valori normalmente utilizzati: 0 ; 1 V Unipolare 0 ; 10 V // -5 ; +5 V Bipolare -10 ; +10 V // 30

31 Risoluzione Definisce la fedeltà con la quale si passa dal valore analogico vero a quello digitale Dipende dalle caratteristiche del convertitore A/D 3 bit DV= 1,43 [V] Errore max = 1,43/2=0.72 [V] 4 bit DV= 0.67 [V] Errore max = 0,67/2=0.33 [V] V Errore= 3,28-2,86 =0.42 V V Errore= 3,28-3,35 =0.07 V tempo tempo t1 t1 31

32 Risoluzione Definisce la precisione con la quale si passa dal valore analogico vero a quello digitale Dipende dalle caratteristiche del convertitore A/D ma anche dal campo di misura scelto. Range=10 V DV= 1,43 [V] Errore max = 1,43/2=0.72 [V] Range=5 V DV= 0.71 [V] Errore max = 0,71/2=0.36 [V] V Errore= 3,28-2,86 =0.42 V V Errore= 3,28-3,55 =0.27 V tempo tempo t1 t1 32

33 Numero di Canali Per il verso del segnale del segnale: Canali d ingresso Canali d uscita Per tipo di segnale: Canali analogici Canali digitali Altri Canali di trigger Digital Input/Output (DIO) Clock 33

34 Metodo di campionamento 1 convertitore A/D N convertitori A/D I segnali dai diversi canali sono congelati (in forma analogica) nel circuito Sample and Hold (t1) Il multiplexer li trasferisce sequenzialmente al circuito di conversione analogico digitale Il convertitore A/D impiega il tempo t2 per la conversione di ogni canale Tempo totale = t1 + N*t2 I segnali dai diversi canali sono congelati (in forma analogica) nei circuiti Sample and Hold (t1) Non c è multiplexer ogni convertitore A/D impiega il tempo t2 per la conversione del canale Tempo totale = t1 + t2 34

35 Metodo di campionamento -2 Esempio nel caso di 1 convertitore A/D 35

36 Problematiche Tipo di collegamento Accuratezza e precisione Velocità di campionamento Componenti in frequenza aliasing 36

37 Tipi di collegamento Collegamento differenziale Sono usati 2 canali La miglior soluzione se si vogliono evitare disturbi (noise) TRASDUTTORI SCHEDA 37

38 Tipi di collegamento Collegamento singolo tipo 1 (referenced ground singleended) La più usata in campo industriale Utilizzabile con segnali superiori a 1 V Possibilità di trasferimento del rumore 38

39 Tipi di collegamento Collegamento singolo tipo 2 (non referenced ground single-ended) Un buon compromesso tra le altre Riduce la presenza di rumore Da usare, se possibile 39

40 Accuratezza e precisione 40