Sensori e trasduttori di misura. Appunti del Corso

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1 Sensori e trasduttori di misura Appunti del Corso Aggiornato: Luglio 2018

2 Indice La trasduzione delle grandezze non elettriche I Trasduttori e la loro funzione... 2 Applicazioni dei trasduttori... 2 Catena di misurazione... 2 Sistema di controllo... 3 Ruolo del trasduttore... 3 Campi di variabilità del misurando... 4 Campi di variabilità dell uscita... 4 Modello matematico del trasduttore... 4 Interazioni trasduttore - sistemi esterni grandezze di influenza... 5 Regime stazionaro e dinamico... 6 Le caratteristiche metrologiche in regime stazionario... 6 Diagramma di taratura 7 Condizioni operative 7 Linearità 7 Sensibilità 8 Ripetibilità - Stabilità 8 Isteresi 9 Le caratteristiche metrologiche in regime dinamico... 9 Comportamento energetico... 9 Sensori di temperatura Trasmissione del calore Temperatura e Capacità Termica Unità di misura Meccanismi di trasduzione della temperatura Sensori di liquido in vetro 14 Sensori bimetallici 14 Sensori a Variazione di Resistenza Termistori Termocoppie Effetto Seebeck 18 Regole di utilizzo 20 Problemi 21 Sonda 23 Criterio di scelta della termocoppia 23 Termopile 24

3 Selezione 24 Sensori Integrati Confronto Estensimetri Realizzazione 30 Estensimetri a semiconduttore Circuiti di condizionamento Ponte a deflessione 32 Progettazione di ponti di deflessione resistivi 33 Progetto di un ponte di Wheatstone per linearizzare la caratteristica di conversione di un termistore NTC 37 Introduzione STM32 Discovery Board User Manual... 2 Extension Connectors... 2 Mappa periferiche (Pag 34, Figura 14)... 3 IAR Embedded Workbench for ARM Options for node... 4 General Options... 4 C/C++ Compiler... 4 Debugger... 4 ST-Link... 5 Download and Debug... 5 Controllare variabili, registri e memoria... 5 Esempio 5 Terminal I/O... 6 Progetto di base: accendere il LED Progetto Base: Accendere LED3 tenendo premuto USER... 8 ALCUNE NOTE SUL LINGUAGGIO C... 9 Puntatori 10 < stdio.h > 10 Operazioni logiche fra parole 10 Operazioni logiche fra singoli bit 10 Panoramica sul sistema e sulla memoria Architettura di sistema Master Slave Organizzazione della memoria Introduzione alla famiglia STM32F30xx

4 RESET AND CLOCK CONTROL (RCC) Registri RCC GENERAL PURPOSE INPUT/OUTPUT (GPIO) GPIO Descrizione funzionale Ingresso 15 Uscita GPIO - Registri [ 2-STM32 pag 143] Basi su come programmare la scheda: accensione di un LED Librerie HAL 21 BSP 21 Application layer 21 Libreria HAL - CMSIS Esempio 1 22 Esempio 2 23 TIMER Registri Timer Generici Funzione Wait Esempio: LED lampeggianti Esempio: misurazione intervallo di tempo Inizializzazioni e Interrupt File di inizializzazione startup_stm32f30x.s File system_stm32f30x.c Nested vectored interrupt controller (NVIC) Interruzioni (EXTI) Registri di NVIC Extended interrupts and events controller Registri EXTI 35 Esempio di Interruzione: Pulsante USER Fase di inizializzazione dell Interrupt 37 ISR 37 Esempio: LED lampeggianti con uso delle interruzioni Convertitore Analogico-Digitale Introduzione (2-STM32 Pag 200) Descrizione funzionale ADC voltage regulator (ADVREGEN) 40 Single-ended and differential input channels... 40

5 Calibration (ADCAL, ADCALDIF, ADC_CALFACT) Channel-wise programmable sampling time (SMPR1, SMPR2) Programmable resolution (RES) - fast conversion mode ADC on-off control (ADEN, ADDIS, ADRDY) ADC Clock Selezione dei canali Conversione su trigger esterno(extsel, EXTEN) Calibrazione e accensione ADC Sensore di temperatura Registri dei Convertitori ADC Registri comuni per Master e Slave 46 Registri per i singoli ADC Basi di un programma per il convertitore A/D Convertitore Digitale-Analogico Single mode functional description DAC trigger selection DMA request Registri DAC (2-STM32 pag 316) Programma di Conversione DAC/ADC Tensione Continua Programma di Conversione DAC/ADC Segnale Esempio: conversione alla pressione di USER DMA Direct Memory Access Introduzione DMA Mappatura richieste Registri DMA Gestione della periferica DAC tramite il DMA per generare un segnale Universal synchronous asynchronous receiver transmitter (USART) Le regole della comunicazione seriale asincrona Il Bus seriale 74 Realizzazione pratica: TTL e RS Gli UART Come rilevare l'arrivo del bit di avvio 75 Come determinare il valore logico di un bit del dato 75 STM32F3 USART Trasmettitore 77 Ricevitore 77 Oversampling 78 Baud rate generation 79

6 Interrupts USART Registri USART Esempio di comunicazione UART Interfaccia I2C Protocollo I2C Comunicazione e trasmissione dati 85 Scrittura da Master a Slave (Trasmissione) 86 Il Master legge dallo Slave (Ricezione) 87 Timing Slave clock stretching 88 Registri I2C Accelerometro Registri utili dell accelerometro Gestire l accelerometro tramite la comunicazione I2C Scelta dei pin 94 Configurazione accelerometro 94 Lettura registri degli assi 95 Elaborazione dei risultati 95 Magnetometro Registri utili dell magnetometro 98 Interfaccia SPI I segnali 100 Come avviene la comunicazione 101 Registri SPI Giroscopio L3GD Protocollo di comunicazione sull SPI 104 Registri giroscopio 106 Configurazione Pin (DATA-SHEET) 107 Esempio

7 APPUNTI DI TEORIA

8 La trasduzione delle grandezze non elettriche La misurazione è un processo che mette in corrispondenza due insiemi: quello "reale" degli eventi fisici e quello "astratto" dei numeri. Lo scopo della misurazione è quello di fornire una descrizione rigorosa, quindi non soggettiva, del fenomeno al fine di permettere l esecuzione di processi decisionali: di regolazione, di ottimizzazione, di approvazione. La quantificazione della grandezza avviene sempre per confronto con una grandezza di riferimento, sia direttamente che indirettamente. Le grandezze elettriche non hanno bisogno di essere trasdotte per essere misurate da uno strumento elettronico. Al contrario, grandezze chimico-fisiche, hanno bisogno di essere trasdotte per essere misurate e quantificate. Il processo di misurazione è un processo complesso che dipende anche dalla definizione del modello e dall incertezza del modello stesso. Ad esempio la misura del diametro di un tubo, dobbiamo considerare diversi fattori come: forma del tubo, rugosità, diametro non costante, E necessario un modello quanto più accurato possibile, nonostante ciò ci sarà sempre una incertezza intrinseca che non possiamo eliminare, ma solo ridurre. I Trasduttori e la loro funzione In questo corso siamo interessati a sensori e trasduttori con uscita elettrica. I trasduttori sono dispositivi in grado di fornire in uscita un segnale elettrico (Tensione, Corrente, Resistenza, Frequenza) il cui andamento è funzione di quello di una grandezza fisica non elettrica presente all ingresso. Tipici sensori chimici sono quelli che trasformano la quanta di massa dell ordine dei nanogrammi in variazioni di frequenza, dove più grande e pesante è un oggetto e più bassa è la frequenza di risonanza. Il vantaggio di lavorare con segnali elettrici sono: Amplificabili Possono essere trasmessi a distanza Memorizzabili Elaborabili I segnali elettrici possono essere analogici o digitali. I segnali digitali sono da preferire in quanto cono molto robusti dal punto di vista del rumore. Applicazioni dei trasduttori I trasduttori hanno due principali applicazioni: nel processo di misurazione delle caratteristiche di sistemi (intendendo il termine sistema col suo significato più lato); nel controllo dei processi industriali. Non abbiamo una catena aperta, ma l informazione che ho ricevuto serve per adattare il processo che stiamo realizzando. Catena di misurazione I trasduttori sono il primo elemento di un processo di misurazione in cui una catena composta da più blocchi in cascata porta la grandezza fisica di interesse fino ad uno strumento di misura che le associa un intervallo di valori. 2_

9 I sensori sono il primo elemento fisico che entra nel processo di misurazione. Essi devono sentire la grandezza, ovvero: interagendo con la grandezza di interesse, modificano una o più delle proprietà caratteristiche. Sistema di controllo I trasduttori sono l organo sensoriale del controllore di processo che agisce ad anello chiuso. trasduttori di pressione, temperatura e portata nei processi chimici; trasduttori di lunghezza e di spostamento nei processi meccanici; trasduttori di velocità, quota, angolo di prua e di attacco nei sistemi di controllo e pilotaggio automatico degli aerei. Ruolo del trasduttore Il ruolo del trasduttore è quello di trasformare la grandezza oggetto della misurazione -"misurando"- in un'altra grandezza fisica, della stessa specie oppure di specie diversa, più adatta all'elaborazione che il successivo blocco della catena deve effettuare. Segnale: Il segnale è una grandezza fisica alle cui variazioni è associata una informazione mediante una convenzione nota. Sotto l'aspetto metrologico la caratteristica fondamentale di ciascuno degli elementi della catena di misura -quindi anche del trasduttore- è quella di conservare inalterata l'informazione contenuta nel segnale d'ingresso, restituendola nel segnale d'uscita. Dalla Norma UNI-UNIPREA 4546: Trasduttore: «mezzo tecnico che compie su un segnale d ingresso una certa elaborazione, trasformandolo in un segnale d uscita.» Sensore: «particolare trasduttore che si trova in diretta interazione con il sistema misurato.» Il sensore può essere visto come un sottoinsieme del trasduttore caratterizzato dal fatto che esso esegue la prima trasformazione del segnale, ovvero della grandezza di interesse. 3_

10 A volte, per la complessità della trasformazione richiesta, il trasduttore può essere costituito da più trasduttori elementari messi l uno in cascata all altro: il primo della cascata, quello cioè che ha in ingresso il misurando, viene chiamato sensore. il sensore ha un ingresso obbligato, sia come tipo di grandezza fisica, sia come campo di variabilità. Per questo motivo il sensore è il più critico fra gli elementi della catena di misurazione in quanto è il più condizionato dalle caratteristiche del sistema misurato. Campi di variabilità del misurando Campo di misura: «intervallo comprendente i valori di misura che si possono assegnare mediante un dispositivo per misurazione e/o regolazione.» Il campo di misura è l intervallo entro cui deve mantenersi il misurando affinché il trasduttore operi secondo le specifiche. Campo di sicurezza: «intervallo comprendente tutte le misure del misurando cui un dispositivo per misurazione può essere applicato senza che il suo diagramma di taratura resti permanentemente alterato.» Il campo di sicurezza è l intervallo entro cui deve mantenersi il misurando per non provocare danni permanenti al trasduttore. campo di sicurezza campo di misura Tempo di ripristino: se il misurando, rimanendo nel campo di sicurezza, supera la portata si può creare un danno temporaneo che viene recuperato nel tempo di ripristino Campi di variabilità dell uscita Campo di lettura utile: intervallo di valori entro il quale si trova l uscita quando la grandezza di ingresso è nel campo di misura. NOTA: il sistema di trasduttori deve godere della proprietà di biunivocità della funzione di trasferimento, così da associare il campo di misura al campo di lettura utile e il campo di sicurezza ai valori estremi dell uscita. Valori estremi dell uscita: estremi entro i quali si mantiene il segnale di uscita se la grandezza di ingresso non esce dal campo di sicurezza. Modello matematico del trasduttore Il sistema di misura deve interagire con il trasduttore per far si che questo internamente modifichi una sua proprietà che possa poi essere rilevata dal sistema utilizzatore. Però bisogna sempre considerare gli effetti di carico che introduce il sensore e che ha una ripercussione sul risultato. Ad esempio un voltmetro analogico, per poter muovere l indice ha bisogno d energia e la prende dal misurando, alterandolo. Nel caso stazionario la funzione 4_