Strumentazione di misura

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1 Corso di Laurea in Ingegneria Informatica N.O. Corso di Misure e Strumentazione A.A. 2004/2005 Strumentazione di misura generalità 1

2 Tipi di strumenti Strumenti di misura analogici digitali attivi passivi Programmabili (o da sistema ) Stand-alone Su scheda (IAC = instrument on A Card) In cabinet (o da banco ) Gli strumenti di misura sono apparecchiature in grado di restituire in vario modo un indicazione del valore di una determinata grandezza fisica; esistono strumenti in grado di misurare praticamente ogni tipo di grandezza fisica: forza, pressione, velocità/accelerazione lineare/angolare, spostamento, grado di acidità di una soluzione, concentrazione di sostanze gassose, ecc. Per la facilità con cui le grandezze elettriche possono essere rilevate, elaborate e trasmesse a distanza, normalmente gli strumenti eseguono misure di una grandezza elettrica (quasi sempre tensione o corrente) proporzionale alla grandezza di reale interesse; i dispositivi in grado di eseguire la necessaria conversione energetica sono detti sensori o trasduttori. Gli strumenti di misura si distinguono anzitutto in analogici e digitali; i primi restituiscono la misura sotto forma di deviazione di un indice su una scala graduata, mentre i secondi sotto forma di indicazione su un display numerico o alfanumerico. Gli strumenti analogici possono essere attivi o passivi; i primi sono quelli che usano dispositivi elettronici attivi (transistor, amplificatori, ecc.) per migliorare le prestazioni dello strumento mentre i secondi usano solo dispositivi elettronici passivi (resistenze, condensatori, induttori, ecc.). Gli strumenti digitali si distinguono in programmabili o da sistema e stand-alone; i primi possono essere inseriti in sistemi automatici di misura più o meno complessi e possono eseguire procedure di test e misura completamente automatizzate sotto la supervisione di un programma di controllo, i secondi possono essere utilizzati esclusivamente in modalità manuale. Gli strumenti programmabili si distinguono in strumenti IAC (instrument on A Card = strumenti su scheda) e in strumenti in cabinet 2

3 Tipi di strumenti analogici Strumenti analogici magnetoelettrici (PMMC) elettrodinamici a ferro mobile termici elettrostatici a induzione Gli strumenti analogici si distinguono in 6 sottotipi in funzione del principio fisico utilizzato per generare il movimento dell indice sulla scala graduata: magnetoelettrici o PMMC (permanent magnet moving coil), elettrodinamici, a ferro mobile, termici, elettrostatici e a induzione. In ogni caso dispongono di una parte mobile detta equipaggio mobile che, generalmente, ruota attorno ad un asse fisso. Sono tutti utilizzabili sia in corrente continua (c.c.) sia in corrente alternata (c.a.) tranne quelli a induzione, costruiti per funzionamento in c.a.. E' bene precisare che gli strumenti magnetoelettrici o PMMC possono essere utilizzati in c.a. solo se dotati di raddrizzatori. Gli strumenti analogici passivi più diffusi in commercio sono proprio i PMMC, in quanto presentano alta sensibilità e la possibilità di operare in un buon campo di frequenza. La loro maggiore utilizzazione si ha nei multimetri analogici in grado di misurare correnti, tensioni sia in c.c. sia in c.a., oltre che resistenze. Gli strumenti elettrodinamici sono misuratori di precisione in c.c. e in c.a. a bassa frequenza, impiegati soprattutto nei wattmetri, anche se sullo stesso principio si basano amperometri, voltmetri, misuratori di frequenza e di fase. Gli strumenti a ferro mobile hanno un impiego prevalentemente in ambito industriale per la loro robustezza, essi non presentano un'elevata accuratezza. Gli strumenti termici trovano il loro più largo impiego per misure di precisione in c.a. in un ampio campo di frequenze. Gli strumenti elettrostatici sono utilizzati prevalentemente nel campo delle alte tensioni con bassi valori di corrente. Gli strumenti a induzione hanno larga diffusione per l'utilizzazione che se ne fa come misuratori di energia elettrica. 3

4 Strumentazione digitale stand alone pregi economicità d'acquisto e d'esercizio; semplicità d'uso; dimensioni e peso ridotti portatilità; difetti scarse (o nessuna) possibilità di connessione a unità esterne per trasferimento dati di misura; raccolta dati manuale; possibili errori di interpretazione delle letture; lentezza delle operazioni di misura; La strumentazione stand alone ha dei pregi innegabili quali l'economicità d'acquisto, la semplicità d'uso e la portatilità. Tuttavia il rovescio della medaglia è quello di essere dispositivi quasi sempre sprovvisti di qualsiasi opzione di connettività a unità di supervisione remota, il che costringe all'esecuzione di misure manuali (carta e matita...) con tutte le conseguenze che ciò può comportare (lentezza delle operazioni di misura ripetitive, possibili errori di interpretazione delle letture e/o di trascrizione delle stesse). Ovviamente negli ultimi anni l'evoluzione delle tecnologie elettroniche ha consentito di dotare anche i dispositivi alimentati a batteria di interfacciamento con il mondo esterno; oggi il mercato offre (anche a prezzi tutto sommato contenuti) strumenti palmari dotati di interfacciamento seriale (tipo RS232 o infrarossi). 4

5 Strumentazione digitale da sistema pregi programmabilità delle procedure di misura; funzionamento in modo totalmente automatico; raccolta dati centralizzabile su calcolatore (a fini di postelaborazione, archiviazione, reporting, ecc.). su scheda difetti costi iniziali (molto) elevati; necessità di sofisticati software di supporto; complessità di manutenzione ed aggiornamento. in cabinet La strumentazione da sistema prevede la possibilità di integrazione in complessi sistemi di misura e controllo automatici. Strumenti di questo tipo sono dotati di un apposito interfacciamento con l'esterno e contengono complessi stadi in logica programmata governati da microprocessori o microcontrollori in grado di gestire tanto le funzionalità di interfaccia operatore (se disponibili...) quanto le funzionalità di interfacciamento al bus per il funzionamento automatico. La foto in alto a destra mostra un multimetro di tipo IAC (Instrument on A Card) destinato ad un sistema PXI (PCI extension for Instrumentation), uno degli standard correnti per i sistemi ATE (Automatic Test Equipment) che vedremo nel seguito. Notate come lo strumento disponga frontalmente delle sole boccole di connessione dei puntali di misura; non c'è traccia, invece, di alcun dispositivo di interfaccia operatore (niente manopole, display, tastierini, ecc.), quindi questo è uno strumento specificamente studiato per il funzionamento in automatico. La foto in basso mostra invece un generatore di funzioni a sintesi digitale che dispone (sul retro) di un apposito connettore per il controllo in remoto. Si noti che, a differenza del multimetro in alto, questo apparecchio dispone di un display, di un tastierino e di una manopola che rendono possibile l'uso in manuale da parte di un operatore umano; è questo un esempio di strumento in cabinet. 5