Argomenti del corso Parte I Caratteristiche generali e strumenti terminali

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1 Argomenti del corso Parte I Caratteristiche generali e strumenti terminali 1. Concetti generali Finalità e applicazioni dello studio dei sistemi di misura Applicazione in vari campi: esempi Concetto di misura e normativa 2. Configurazione generale e funzionale di uno strumento Descrizione funzionale Flussi di energia: sensori attivi e passivi Flussi di informazioni: sensori analogici e digitali Metodi di misura per deflessione e azzeramento Ingressi principali e ingressi di disturbo

2 Elementi funzionali di uno strumento Schema funzionale di uno strumento - funzioni base necessarie per la descrizione di un qualsiasi strumento Elementi di condizionamento Ambiente di misura Quantità misurata Elemento sensibile primario Elemento convertitore di variabile Elemento manipolatore di variabile Elemento di trasmissione di variabile Gli elementi sono funzionali non fisici Elemento di presentazione Memoria Osservatore Sistema di controllo Interfaccia

3 Elementi funzionali di uno strumento Elemento sensibile primario Riceve per primo l energia dall oggetto delle misure e produce un uscita dipendente dal misurando Uno strumento sottrae sempre energia dal misurando Il misurando è sempre in qualche misura disturbato da questo effetto ( effetto di carico o di inserzione ) Gli strumenti di misura sono progettati per minimizzare l effetto di carico Segnale di uscita dell elemento sensibile primario: variabile fisica (es: tensione)

4 Elementi funzionali di uno strumento Elemento di conversione della variabile Converte una variabile fisica in un altra che conserva il contenuto di informazioni del segnale originale (es: forza spostamento) Elemento di manipolazione della variabile Opera un cambio del valore numerico della variabile ma ne conserva la natura fisica (es: amplificazione) Gli elementi descritti sono elementi di condizionamento della variabile osservata

5 Elementi funzionali di uno strumento Elemento di trasmissione dei dati Consente la trasmissione dei segnali tra elementi del sistema di misura fisicamente separati (es: telemetria) Elemento di presentazione dei dati Consente la percezione della quantità misurata da parte di un osservatore per finalità diverse (es: indicatore su scala graduata)

6 Elementi funzionali di uno strumento Elemento di registrazione/riproduzione dei dati (Memoria) Consente la conservazione dei dati e la loro riproduzione secondo tempi e modalità opportune (es: hard disk) I dati misurati e/o memorizzati possono essere utilizzati da un controllore che opera una decisione riguardante un processo in un sistema di controllo (solitamente retroazionato)

7 Elementi funzionali di uno strumento Esempi Sonda di pressione

8 Elementi funzionali di uno strumento Esempi Termometro a pressione

9 Sensori attivi e passivi Trasduttore passivo Componente la cui energia sia completamente o quasi completamente fornita dal segnale ricevuto in ingresso Può esserci conversione di energia tra ingresso e uscita del trasduttore Trasduttore è utilizzato nella letteratura tecnica per elementi che coinvolgono una conversione di energia, ma questa restrizione non ha valore generale Esempi: sonda e termometro a pressione già visti, termocoppie, sensori piezoelettrici

10 Sensori attivi e passivi Trasduttore attivo Componente la cui energia sia completamente o quasi completamente fornita da una sorgente ausiliaria di energia, mentre il segnale in ingresso ne fornisce solo una porzione insignificante Può esserci una conversione di energia Esempi: potenziometri, estensimetri a resistenza, termoresistenze e e 0 ex (1/( x i 1 / x ) ( R t p / R m )(1 x )) i La tensione eex fornisce energia al circuito e permette di r registrare una tensione e0 in uscita proporzionale allo spostamento xi

11 Segnale (Volts) Sensori analogici e digitali Segnale analogico Il segnale è continuo nel contenuto sia in ampiezza che nel tempo Un sensore analogico fornisce un segnale d uscita continuo direttamente proporzionale al segnale d ingresso Esempio: termocoppia Segnale d uscita analogico Termocoppia (sensore analogico) Condizionamento del segnale Misurando Tempo

12 Segnale (Volts) Sensori analogici e digitali Segnale digitale Il segnale è una rappresentazione digitale diretta del misurando, discreto in ampiezza e nel tempo Un sensore digitale è binario ( on / off ) Esempio: contatore di giri Sonda magnetica e convertitore di tensione Albero Disco Registratore Display Tempo

13 Metodi per deflessione e azzeramento Strumenti di tipo a deflessione Strumenti in cui la quantità misurata produce qualche effetto fisico che a sua volta produce un effetto simile, ma in opposizione, nello strumento L effetto in opposizione cresce fino a quando viene raggiunta una condizione di equilibrio in corrispondenza della quale si valuta la deflessione Il valore della quantità misurata si valuta dalla deflessione Misurando Piattello Molla Indicatore x 0 Scala graduata Misurando Elemento sensibile primario Segnale di deflessione Condizionamento del segnale Segnale condizionato Scala di lettura Uscita indicata

14 Metodi per deflessione e azzeramento Strumenti ad azzeramento In un dispositivo ad azzeramento, la deflessione è mantenuta a valore nullo tramite un effetto che si oppone a quello generato dal misurando E necessario un sensore che rilevi la condizione di equilibrio L equilibrio è rigenerato attraverso un mezzo manuale o automatico Input noto Input di bilanciamento Input incognito Misurando Indicatore - + Input di bilanciamento (noto) Ingresso incognito (misurando) Feedback correttivo Errore Comparatore Misure Meccaniche e Termiche 2012/13 Deflessione

15 Metodi per deflessione e azzeramento Confronto Strumenti a deflessione Svantaggi: effetto di carico, bassa accuratezza per piccoli ingressi, il confronto con campioni di misura è indiretto tramite taratura Vantaggi: buona risposta dinamica Strumenti ad azzeramento Svantaggi: metodo iterativo, risposta dinamica condizionata dal sistema di feedback (costoso) Vantaggi: minimo effetto di carico, grande accuratezza per piccoli valori dell ingresso, il confronto con campioni di misura è diretto, sensore indicatore di zero può essere reso molto sensibile (opera in un area ristretta di valori)

16 Ingressi principali e ingressi di disturbo Configurazione generalizzata ingresso-uscita di uno strumento Ingressi classificati in tre categorie: desiderati, interferenti e modificanti Parte in uscita dovuta all ingresso ii Ingresso interferente FI interferente e a im im Ingresso modificante FM,I FM,D + + o Uscita Ingresso desiderato id FD Parte in uscita dovuta all ingresso Misure Meccaniche e Termiche 2013/14 desiderato e a im

17 Ingressi principali e ingressi di disturbo Esempi Manometro a mercurio per misure di pressione differenziale Ingressi interferenti a) Accelerazione b) Angolo di inclinazione

18 Ingressi principali e ingressi di disturbo Esempi Sistema con estensimetri a resistenza elettrica

19 Ingressi principali e ingressi di disturbo Metodi di correzione Sensibilità intrinseca FI e/o FM,D rese uguali a zero Esempi Materiale estensimetri: coefficiente di variazione della resistenza con la temperatura basso Invar, Zerodur

20 Ingressi principali e ingressi di disturbo Metodi di correzione Correzioni calcolate sull uscita Richiede che si misurino o si stimino le ampiezze degli ingressi interferenti e/o modificanti e come essi condizionano quantitativamente l uscita. Esempio Manometro: effetti della temperatura su lunghezza scala tarata e su densità mercurio / accelerazione di gravità per data altitudine e latitudine

21 Ingressi principali e ingressi di disturbo Metodi di correzione Filtraggio del segnale Introduzione di elementi (filtri) in ingresso o in uscita che bloccano i segnali non desiderati

22 Ingressi principali e ingressi di disturbo Metodi di correzione Filtraggio del segnale

23 Ingressi principali e ingressi di disturbo Metodi di correzione Ingressi in opposizione Introduzione di ingressi interferenti e/o modificanti opposti agli ingressi indesiderati

24 Ingressi principali e ingressi di disturbo Metodi di correzione Ingressi in opposizione

25 Ingressi principali e ingressi di disturbo Metodi di correzione Ingressi in opposizione