Strumentazione e misure elettriche

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1 Università degli Studi di Palermo Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica Corso di Strumentazione e misure elettriche 9 CFU Prof. Salvatore Nuccio nuccio@unipa.it, Ricevimento: durante il corso da lunedi a venerdi ore 11-13, negli altri periodi preferibilmente con appuntamento o telefonico 1

2 Testi di riferimento Giuseppe Zingales: Metodi e strumenti per le misure elettriche, Ed. Utet Mario Savino: Fondamenti di scienza delle misure, Ed. La Nuova Italia Scientifica Giorgio Miglio: Processi di misurazione e gestione delle misure, Edizioni Mortarino Norma CEI UNI ENV 13005: Guida all espressione dell incertezza di misura 2

3 Fondamenti di metrologia Perché misurare? Per conoscere il mondo fisico è necessario poterne quantificare le diverse grandezze. L informazione quantitativa su una grandezza fisica è ottenuta attraverso le misurazioni, impiegando adeguati strumenti secondo opportuni metodi. 3

4 Come misurare? Ci si accorda su un attributo d'un fenomeno, d'un corpo o d'una sostanza, che può essere distinto qualitativamente e determinato quantitativamente grandezza (misurando) Esempio: lunghezza su un unità di misura (e sul campione che la rappresenta) Esempio: piede, palmo,...metro su un metodo di misurazione (confronto fra la grandezza da misurare e il campione) sulla comunicazione del risultato del confronto, la misura...e la sua incertezza 4

5 Fondamenti di metrologia Perché misurare? Motivazioni di tipo commerciale e legale Motivazioni di tipo tecnico Motivazioni di tipo scientifico 5

6 Perché misurare? Motivazioni di tipo commerciale e legale Determinare il valore (costo) di oggetti Determinare la quantità di beni Esempi: dimensione di terreni, stoffe,... distanze da percorrere,... quantità di grano, sementi, acqua,... Regolare le transazioni commerciali Assicurare la corretta esazione di imposte Assicurare il rispetto di norme sulla sicurezza,... 6

7 Perché misurare? Motivazioni di tipo tecnico Prove di accettazione per i semilavorati Intercambiabilità fra i prodotti di più fornitori Prove per la verifica della qualità del processo produttivo Compatibilità fra pezzi provenienti da più processi Compatibilità fra pezzi provenienti da più processi Prove per la verifica della qualità dei prodotti finiti Confronto fra prodotti di fornitori differenti 7

8 Perché misurare? Motivazioni di tipo tecnico Anche qui ci si accorda su un unità di misura e sul campione su una procedura di prova (accordi specifici, norme nazionali o internazionali) sull accettazione del prodotto sulla base della prova eseguita 8

9 Perché misurare? Motivazioni di tipo scientifico Conoscere un fenomeno fisico: Prevederne il comportamento Controllarne il comportamento Metodo sperimentale (Galileo Galilei) Teorizzazione di un fenomeno fisico Modello (matematico,...) Legge fisica Esperimento sul fenomeno fisico Affinamento del modello Modifiche Campo di validità Verifica sperimentale 9

10 Perché misurare? Motivazioni di tipo scientifico La misurazione nella scienza Indagine sul mondo fisico per ottenere informazioni quantitative Modello, metodo di misurazione, unità, campione Comunicazione delle informazioni Intersoggettività dell informazione Accordi per la comprensione del messaggio comunicato Ripetibilità e Riproducibilità dell esperimento Riferibilità della misura torna a pag

11 La misurazione richiede Un insieme di fenomeni o oggetti di cui si considera una determinata proprietà Esempio: lunghezza, colore Un insieme di relazioni empiriche definite sull insieme, con riferimento alla proprietà Esempio: equivalente, più grande Un insieme di numeri, con associate le relazioni fra numeri Esempio: numeri reali - uguale, maggiore 11

12 La misurazione richiede La definizione delle funzioni di trasformazione che permettano il passaggio: proprietà numeri relazioni empiriche relazioni fra numeri Esempi: equivalente = (uguale) più grande > (maggiore) La definizione un unità di misura con il relativo campione 12

13 Misurare Misurare significa dunque acquisire e trasmettere informazioni sul mondo fisico Il procedimento con cui si misura si chiama misurazione La misura di una grandezza è generalmente definita come il confronto quantitativo di questa stessa grandezza con un altra grandezza, omogenea con quella che si vuole misurare, che viene considerata come unità di misura. La misura è definita quando sono noti l unità di misura ed una espressione della sua qualità cioè di quanto il risultato si scosta dal valore vero del misurando Il risultato di una misurazione, l informazione che si vuole ottenere, si chiama misura, che rappresenta una stima del valore del misurando a causa dell incertezza nel processo di misurazione 13

14 Errori e incertezze nel risultato di una misurazione Per approssimazioni, per uso di metodi non idonei, per caratteristiche intrinseche al metodo ed agli strumenti utilizzati, per le grandezze di influenza, il risultato della misurazione può essere diverso dal valore vero del misurando: si commette quindi un errore nel risultato della misurazione (che può essere corretto se noto). Eseguendo ripetutamente (nelle stesse condizioni: stesso operatore, strumento, metodo, luogo, condizioni ambientali) la misurazione di uno stesso misurando non si trova sempre lo stesso risultato, bensì risultati tra di loro diversi a causa di imperfezioni inevitabili nel processo di misurazione. Tali errori non sono correggibili e la misura sarà affetta da incertezza: parametro, associato al valore (di misura), che caratterizza la dispersione dei valori che può ragionevolmente essere attribuita al misurando 14

15 Misurare Per esprimere in modo completo il risultato di una misurazione, sono necessari almeno tre elementi: il valore della misura, l unità di misura e l incertezza. Il risultato della misura è il valore numerico assegnato alla grandezza misurata (misurando). Il numero che esprime la grandezza misurata potrà essere dichiarato solo con un certo margine di incertezza in quanto numerosissimi fattori perturbano le condizioni ideali di lavoro e si oppongono alla conoscenza esatta del mondo fisico (grandezze di influenza) 15

16 Esempi 1) L interazione del sistema misurato sul trasduttore. (es: in una misura di portata di un fluido caldo, la risposta del trasduttore di portata potrebbe essere modificata dalla temperatura del fluido). 2) Il carico strumentale. Lo strumento elettrico che rileva l uscita del trasduttore carica quest ultimo con la propria impedenza di ingresso, e pertanto si altera il valore della tensione a vuoto prodotta dal trasduttore. 3) Stabilità del sistema ausiliario. Nel caso di sistemi dotati di alimentazione elettrica, il segnale prodotto può risentire della stabilità nel tempo della tensione di alimentazione. 4) Le condizioni ambientali. Temperatura, umidità, altitudine, disturbi di natura elettromagnetica, ecc. modificano le condizioni ideali di misura. 16

17 Stima della misura In una misurazione l operatore esegue una stima del valore del misurando dovuta agli errori (scarti, scostamenti), inevitabilmente connessi a qualsiasi processo di misurazione. Bisogna quindi aggiungere un indicazione sulla qualità della stima, cioè sulla sua capacità di rappresentare, con un definito livello di probabilità, il valore del misurando, esprimendo così l incertezza di misura. 17

18 Gli attori della misurazione il sistema misurato il misurando lo strumento il metodo il campione L unità di misura l utilizzatore 18

19 il sistema misurato il misurando Gli attori della misurazione il metodo il campione lo strumento L unità di misura l utilizzatore Il misurando è la grandezza sottoposta a misurazione. (ES: la resistenza elettrica). Generalmente il misurando viene rappresentato attraverso un modello matematico. (ES: V = R I) 19

20 il sistema misurato il misurando Gli attori della misurazione il metodo il campione lo strumento L unità di misura l utilizzatore Il campione realizza fisicamente l'unità di misura con la quale si vuole confrontare il misurando. 20

21 il sistema misurato il misurando Gli attori della misurazione il metodo il campione lo strumento L unità di misura l utilizzatore Con metodo di misura si intende la modalità con cui si esegue il confronto fra misurando e campione. Il metodo di misura sfrutta, generalmente, un fenomeno fisico. 21

22 il sistema misurato il misurando Gli attori della misurazione il metodo il campione lo strumento L unità di misura l utilizzatore Lo strumento è l'oggetto con cui si esegue il confronto fra misurando e campione, secondo le modalità previste dal metodo impiegato. 22

23 il sistema misurato il misurando Gli attori della misurazione il metodo il campione lo strumento L unità di misura l utilizzatore L utilizzatore coordina e supervisiona la sequenza di operazioni previste dal metodo di misura impiegato, legge le indicazioni degli strumenti, elabora le letture per ottenere il risultato della misurazione Può non essere "umano (es: sistemi automatici di misura) 23

24 Misurazioni dirette Procedimento di misura che consente il confronto diretto fra il misurando ed una grandezza di riferimento della stessa specie (campione) Esempi: Misura di lunghezza con un metro Misura di tensione con un voltmetro 24

25 Misurazioni indirette Procedimento di misura in cui il valore del misurando e ottenuto elaborando i risultati di una o più misurazioni dirette effettuate su grandezze ad esso collegate Esempi: Velocità: v = l / t Densità: δ = m / V Resistenza: R = V / I 25

26 Misurazioni indirette La maggior parte delle misure è ottenuta per via indiretta Motivazione della scelta: quasi sempre per ragioni di comodità (costo, ) Con riferimento agli esempi: la densità potrebbe essere ottenuta anche con un densimetro la resistenza potrebbe essere ottenuta per confronto con resistore campione 26