Esercizio 9 Controllo temperatura, umidità e luminosità all interno di una serra

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1 Esercizio 9 Controllo temperatura, umidità e luminosità all interno di una serra Si desidera controllare i valori di temperatura, umidità e luminosità all interno di una serra. I valori vengono rilevati ogni ora ed inviati al sistema di gestione dei dati. Il trasduttore di temperatura fornisce una corrente proporzionale alla temperatura nell intervallo scelto: I (0 C) 7µA I (0 C) µa Il trasduttore di umidità e quello di luminosità presentano rispettivamente le seguenti caratteristiche: I convertitori A/D a disposizione sono ad 8 bit ed ammettono una tensione in ingresso compresa tra 0V e V. Il candidato, fatte le ulteriori ipotesi ritenute necessarie, 1. rappresenti il sistema di acquisizione dati con uno schema a blocchi,. dimensioni i circuiti di condizionamento dei segnali provenienti dai trasduttori,. descriva l interfaccia di acquisizione dati. Infine, considerando che sia il controllo della temperatura che quello della luminosità è di tipo ON/OFF con l apertura della condotta dell aria calda o l accensione delle luci se la temperatura o la luminosità scende al di sotto di un valore fissato, il candidato, fatte eventuali ipotesi aggiuntive, descriva il sistema e illustri una soluzione usando un linguaggio di sua conoscenza. Durata massima della prova: 6 ore. È consentito l uso di manuali tecnici e di calcolatrici non programmabili. Non è consentito lasciare l Istituto prima che siano trascorse ore dalla dettatura del tema.

2 Punto Progetto circuiti di condizionamento Condizionamento trasduttore di temperatura Soluzione con l amplificatore per strumentazione Il trasduttore fornisce in uscita una corrente, è pertanto necessario utilizzare un convertitore I/V seguito da un amplificatore che condizioni il segnale affinché sia incluso nell intervallo 0V V richiesto dal convertitore interno del CB80. In fig. 1 è riportato lo schema elettrico del circuito contenente il convertitore I/V e l amplificatore differenziale per strumentazione INA111 (KΩ). Il trasduttore di temperatura fornisce una corrente proporzionale alla temperatura nell intervallo scelto: I (0 C) 7µA I (0 C) µa Il circuito di Fig.1 lavora nel range di temperatura assegnato 0 C 0 C, la resistenza 1 (10 KΩ 1%) effettua la conversione I/V. L amplificatore operazionale, configurato come inseguitore, effettua la separazione tra il trasduttore e l amplificatore per strumentazione. Vcc1V I 0 1 µa/k 0 C 0 C 1 7µA µa V s0 10mV/K I 0 1 µa/k V s0,7v,v G 1 7 INA111 amplificatore per strumentazione 1 V co 0V V 6 P4 CB80 CH0_A/D Calcolo range tensione Vs (si pone 110 KΩ 1%) T( C)0 C T(K) 7K V s0min 1*Is7*1*10 6 *10*10,7 V T( C)0 C T(K) K V s0max 1*Is*1*10 6 *10*10, V Affinché alla temperatura di 0 C corrisponda V c0 0V si pone V 0 V S0min,7V Calcolo guadagno G e G dell amplificatore per strumentazione INA111 VC max G 0 10 V V,,7 10 G. 6Ω G s0max s 0Min Fig. 1 V 0,7V La resistenza G viene realizzata con una resistenza fissa da, KΩ con in serie un trimmer da 4,7KΩ ( Fig.) x0,kω P 0 4,7 KΩ ( TIMME ) 8 1V 4 Fig. P 0 x0 Deve risultare: x0 P0/ 6Ω

3 Soluzione con l amplificatore differenziale Il trasduttore fornisce in uscita una corrente, è pertanto necessario utilizzare un convertitore I/V seguito da un amplificatore che condizioni il segnale affinché sia incluso nell intervallo 0V V richiesto dal convertitore interno del CB80. Nella Fig. si propone uno schema di condizionamento con offset di tensione che utilizza un amplificatore operazionale in configurazione differenziale. Il trasduttore di temperatura fornisce una corrente proporzionale alla temperatura nell intervallo scelto: I (0 C) 7µA I (0 C) µa La conversione correntetensione è realizzata con la resistenza 1. L amplificatore operazionale, configurato come inseguitore, effettua la separazione tra il trasduttore e amplificatore operazionale in configurazione differenziale. Vcc1V 0 C 7µA µa 0 C Vs10mV/K 1 Is1 µa/k Vr,7V Vs,7V,V Fig. A1 Vo0V V Calcolo range tensione Vs (si pone 1 10 KΩ 0,1%) T( C)0 C T(K) 7K Vs1*Is7*1*10 6 *10*10,7 V T( C)0 C T(K) K Vs1*Is*1*10 6 *10*10, V Dimensionamento Vr,, Vo ( Vs Vr) a) T0 C Vs,7V V 0 0V 0 (, 7 Vr) b) T0 C Vs,V V 0 V (,,7) 0, si ricava 0 KΩ KΩ Vr,7V

4 Condizionamento trasduttore di umidità Soluzione con l amplificatore per strumentazione Il trasduttore fornisce in uscita una tensione, 1,V 4V nel range 0% 100% (dati ricavati dal grafico assegnato, riportato in Fig. 4), è pertanto necessario utilizzare un convertitore V/V che condizioni il segnale affinché sia incluso nell intervallo 0V V richiesto dal convertitore interno del CB80. Fig. 4 Nella Fig. si propone uno schema di condizionamento con offset di tensione che utilizza un amplificatore per strumentazione INA111 (KΩ).. L amplificatore operazionale, configurato come inseguitore, effettua la separazione tra il trasduttore e l amplificatore per strumentazione. 1V 0% 100% Trasduttore di Umidità V U 1,V 4V V s1 1,V 4V G 1 7 INA111 amplificatore per strumentazione 1 6 V c1 0V V P CB80 CH1_A/D Fig. V 1 1,V 8 1V 4 Affinché all umidità di 0% corrisponda V c1 0V si pone V 1 V S1min 1,V Calcolo guadagno G e G dell amplificatore per strumentazione INA111 VC max G 1 V V 4 1, 10 G 0KΩ G 1 1 s1max s1min La resistenza G viene realizzata con una resistenza fissa da KΩ con in serie un trimmer da 47KΩ ( Fig.) x1 KΩ P 1 47 KΩ ( TIMME ) Fig.6 P 1 x1 Deve risultare: x1 P1/ 0KΩ

5 Soluzione con l amplificatore differenziale Il trasduttore fornisce in uscita una tensione, 1,V 4V nel range 0% 100% (dati ricavati dal grafico assegnato, riportato in Fig. 7), è pertanto necessario utilizzare un convertitore V/V che condizioni il segnale affinché sia incluso nell intervallo 0V V richiesto dal convertitore interno del CB80. Fig. 7 Nella Fig. 8 si propone uno schema di condizionamento con offset di tensione che utilizza un amplificatore operazionale in configurazione differenziale. L amplificatore operazionale, configurato come inseguitore, effettua la separazione tra il trasduttore e amplificatore operazionale in configurazione differenziale. 0% 100% Trasduttore di Umidità Vs11,V 4V Vr1,V A1 Vo0V V V U 1,V 4V Fig. 8 Dimensionamento Vr,, Vo ( Vs Vr) a) U0% Vs11,V V 0 0V 0 ( 1, Vr) b) U100 C Vs14V V 0 V ( 4 1, ) si ricava Vr1,V, 0 KΩ KΩ

6 Condizionamento trasduttore di luminosità Soluzione con l amplificatore per strumentazione Il trasduttore fornisce in resistenza variabile (00KΩ 1KΩ) in funzione dell illuminamento (10 lux 1000 lux) (dati ricavati dal grafico assegnato, riportato in Fig. 9), è pertanto necessario utilizzare un convertitore /V che condizioni il segnale affinché sia incluso nell intervallo 0V V richiesto dal convertitore interno del CB80. Fig. 9 Nella Fig. 10 si propone uno schema di condizionamento con offset di tensione che utilizza una struttura a ponte ed un amplificatore per strumentazione INA111 (KΩ).. Vcc 1V A Lux B x VAB G 1V 1 7 INA111 amplificatore per strumentazione 1 V c 0V V 6 P6 CB80 CH_A/D L L 8 4 Fig. 10 1V Dimensionamento ponte Il testo non impone nessuna condizione, si tralascia il calcolo della resistenza di linearizzazione e la massima corrente per Lux. Si pone L1,8MΩ ed xlux(10lux). Con questa configurazione con 10 lux di illuminamento il ponte risulta in equilibrio (VAB0V) Calcolo range di VAB a) Illuminamento 10Lux Lux00KΩ x00kω VAB0V b) Illuminamento 1000Lux Lux1KΩ Vcc L Vcc L VAB L Lux(1000) L x VAB, 6V Lux 100 Lux VAB0V,6V

7 Calcolo guadagno G e G dell amplificatore per strumentazione INA111 VC max G 1,9 VAB VAB, G 4, 17KΩ G 1 1,9 1 Max Min La resistenza G viene realizzata con una resistenza fissa da KΩ con in serie un trimmer da 47KΩ ( Fig.11) x0 KΩ P 0 47 KΩ ( TIMME ) Fig.11 P x Deve risultare: x P/ 4,17KΩ Soluzione con l amplificatore differenziale Il trasduttore fornisce in resistenza variabile (00KΩ 1KΩ) in funzione dell illuminamento (10 lux 1000 lux) (dati ricavati dal grafico assegnato, riportato in Fig. 1), è pertanto necessario utilizzare un convertitore /V che condizioni il segnale affinché sia incluso nell intervallo 0V V richiesto dal convertitore interno del CB80. Nella Fig. 1 si propone uno schema di Fig. 1 condizionamento con offset di tensione che utilizza un amplificatore operazionale in configurazione differenziale. L amplificatore operazionale, configurato come inseguitore, effettua la separazione tra il trasduttore e amplificatore operazionale in configurazione differenziale. 10 Lux 1000 Lux Vcc1V VL Lux L Vr6V Vs6V 11,97V Fig. 1 A1 Vo0V V Calcolo range di VL (si pone L00K Vcc L VL L Lux a) Illuminamento 10Lux Lux00KΩ L00KΩ VL6V b) Illuminamento 1000Lux Lux1KΩ L00KΩ VL11,98 10 Lux 100 Lux VAB6V 11,98V

8 Dimensionamento Vr,, Vo ( Vs Vr) a) 10 Lux Vs6V V 0 0V 0 ( 6 Vr) b) 1000 Lux Vs11,98V V 0 V ( 11,98 6) si ricava Vr6V 11, KΩ 60 KΩ

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