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
Finalità dello studio degli strumenti di misura Si fanno misure tutti i giorni in ogni ambito conosciuto Scopo/Utilizzo della misura selezione degli strumenti e delle tecniche di misura/ interpretazione dei dati misurati Primo obiettivo della misura: stabilire il valore di una variabile. Qual è il legame fra il valore misurato e il valore reale? Come si progetta una misura in modo da ottenere informazioni non ambigue? Come si interpretano i dati misurati in modo da poterli ritenere ragionevolmente affidabili?
Esempio Industria automobilistica Prove di laboratorio in entrambe le fasi: - nuovi materiali - influenza variabili di processo su produzione e costi - sperimentazione nuovi componenti - verifica modelli numerici - test su prototipi - controlli di processo (retroazione, ecc) Concezione del progetto Progettazione e Produzione Prodotto finale Un auto utilizza 40-50 sensori - serve conoscenza strumentazione disponibile per diverse funzioni e modalità di interfacciamento con altre parti - serve conoscenza costante nuovi sensori prodotti nel settore Sensori necessari per il funzionamento dell autoveicolo: - tachimentri - sensori di livello - navigatori satellitari - sensori di pressione e velocità per sistemi di sicurezza (ABS, ESP, ecc)
Tipologie di applicazione degli strumenti 1. Monitoraggio di operazioni e processi Scopo: tenere sotto controllo qualche grandezza per finalità diverse Termometri, barometri, radar, anemometri delle stazioni meteo Contatori di acqua, gas e luce Tachimetro, livello carburante e sensore di temperatura esterna
2. Controllo di operazioni e processi Scopo: 1) utilizzo del dato di misura per il controllo (in genere) retroazionato di un processo; 2) utilizzo di sensori di controllo in sistemi di misura retroazionati Ingresso di energia e/o materiale Processo Disturbi Variabile controllata Elemento di controllo finale Strumento di misura Controllore Misure Meccaniche e Termiche 2014/15 Valore desiderato della variabile controllata
3. Analisi per mezzo dell ingegneria sperimentale Scopo: 1) fornire mezzi adeguati per affrontare i problemi della sperimentazione; 2) supportare l approccio teorico ai problemi ingegneristici; 3) concorrere alla definizione di modelli ibridi teorico-sperimentali TIPOLOGIE DI APPROCCIO SPERIMENTALE Verifica della validità di una previsione teorica Formulazione di relazioni empiriche Determinazione di parametri /variabili/indici di prestazione di un materiale/componente/sistema Studio di fenomeni per formulazione di una teoria descrittiva Risoluzione di equazioni matematiche avvalendosi di analogie
Applicazione in vari campi: esempi - industria automobilistica AIRBAG Sacco di Kevlar che si gonfia di azoto per evitare l urto con il volante. Sensori di accelerazione: attivato in 2-3 ms e dopo 30-50 ms già completamente gonfio. In ca. 120-150 m/s si sgonfia. SONDA LAMBDA Analizza costantemente l'ossigeno residuo nei gas di scarico. Il segnale di uscita della sonda viene inviato alla centralina controllo motore, che regola il rapporto ottimale aria benzina attraverso il sistema di iniezione.
Applicazione in vari campi: esempi - industria automobilistica ABS (Antilock Breaking System) Attraverso i suoi sensori, misura la velocità di rotazione delle ruote. Se una di esse si è bloccata o sta per bloccarsi allenta la forza frenante agendo sull impianto idraulico della pompa freno. ESP (Electronic Stability Program) Quando in curva la macchina tendesse a sbandare l ESP mediante i suoi sensori (d assetto, d imbardata, angolo di sterzata) lo rileverebbe. Attraverso la regolazione automatica e separata dei freni, del motore e della trasmissione impedirebbe all autovettura eventuali perdite di stabilità.
Concetto di misura La realtà empirica è descritta come evoluzione di grandezze fisiche tramite i valori assunti da tali grandezze la loro conoscenza presuppone un operazione di misura Un operazione di misura non ha mai esito univoco: ripetendo la misura di una stessa grandezza nelle stesse condizioni si ottengono valori diversi il risultato di un operazione di misurazione è solo una stima del valore del misurando le operazioni di misurazione sono tutte inevitabilmente affette da incertezza o grado di indeterminazione
Concetto di misura Il valore vero di una grandezza fisica non è conoscibile perde di senso la definizione di errore di misura come scostamento dal valore vero si può soltanto ipotizzare che il valore della misura è compreso all interno di una fascia di valori La misura è un informazione costituita da un numero, un incertezza e un unità di misura atti a definire un parametro in uno stato del sistema (UNI 4546) L incertezza è L intorno limitato del valore di un parametro corrispondente agli elementi della fascia di valore assegnatogli come misura (UNI 4546)
Concetto di misura - Incertezza Incertezza: Parametro associato al risultato di una misurazione, che caratterizza la dispersione dei valori ragionevolmente attribuibili al misurando (UNI CEI ENV 13005) Cause sul dubbio circa la validità del un risultato di una misurazione: 1. definizione incompleta del misurando; 2. non rappresentatività della campionatura; 3. inadeguata conoscenza degli effetti delle condizioni ambientali sulla misurazione; 4. effetto dell operatore nella lettura di strumenti analogici; 5. risoluzione e soglia strumentali non infinite; 6. valori inesatti di campioni e materiali di riferimento; 7. valori inesatti di costanti e altri parametri ottenuti dall elaborazione dei dati; 8. approssimazioni e ipotesi semplificatrici inerenti al metodo e procedimento sperimentali; 9. variazioni nelle osservazioni del misurando ripetute in condizioni identiche
Concetto di misura - Modello La misura è un informazione costituita da un numero, un incertezza e un unità di misura atti a definire un parametro in uno stato del sistema (UNI 4546) Ogni operazione di misura presuppone la definizione di relazioni fra grandezze fisiche e variabili ambientali che interagiscono con il parametro da misurare Importanza del modello matematico come insieme di relazioni fra parametri che definiscono il sistema Esempi Misura e monitoraggio della temperatura e di come essa influenza le misure dimensionali Misura e controllo di vibrazioni per il corretto funzionamento di sensori di spostamento
Concetto di misura Modello (UNI 4546) Modello: Insieme organico di relazioni tra valori di parametri, descrivente le interazioni e/o l evoluzione dei sistemi Parametro: Ogni grandezza fisica (nota: che può essere espressa quantitativamente, misurabile ) pertinente ad un sistema alla quale è necessario assegnare valori per descrivere il sistema stesso Stato del sistema: Insieme di valori assunti contemporaneamente dai parametri del sistema Il numero e la tipologia dei parametri dipende dal modello del sistema
Concetto di misura Modello Esempio: misura della lunghezza di un oggetto a) b) c) a) Distanza fra due rette parallele tangenti l oggetto b) Distanza massima fra due punti c) Distanza massima fra due segmenti paralleli localmente tangenti l oggetto Il modello dipende dallo scopo della misurazione
Concetto di misura Modello Esempio: misura della lunghezza di un tavolo Il modello è di tipo geometrico: parametri chimici ad esempio non interessano Grandezze in grado di influenzare la misura: temperatura, stato di sollecitazione, umidità dell aria Un modello è valido entro un certo campo di valori dei parametri e per un certo livello di qualità delle misure dei parametri L ipotesi di comportamento elastico per il tavolo è possibile per piccoli valori di deformazione Assimilare la forma geometrica del tavolo ad un parallelepipedo è possibile se il livello di qualità non è paragonabile alla rugosità delle superfici
Normativa L incertezza di misura è definita da norme nazionali e internazionali: ISO ENV 13500 Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM) UNI CEI ENV 13500 Guida all espressione dell incertezza di misura UNI 4546 Misura e misurazioni: termini e definizioni fondamentali (1984) Altre norme: NIST, ASTM, ecc.