Obiettivi
Nell’insegnamento si presenteranno allo studente gli aspetti fondamentali delle operazioni di acquisizione di informazioni dal campo, attraverso l’elaborazione dei segnali fisici con i metodi e le tecnologie elettroniche.
All’inizio del corso si introdurrà il Sistema Internazionale di unità di misura e si studieranno le problematiche connesse con la variabilità statistica delle misure arrivando a una trattazione semplificata ma rigorosa dell’incertezza di misura.
Si descriveranno i principi e le caratteristiche di funzionamento degli elementi della catena di misura che vanno dal sensore sino all’ingresso del controllore (sensori e trasduttori, circuiti di condizionamento, convertitori analogico/digitali, trasmissione e ricezione del segnale di misura) soffermandosi sulle caratteristiche della moderna strumentazione di misura.
Programma delle lezioni e delle esercitazioni
Metrologia e Sistema Internazionale. Grandezze misurabili e riferimenti (campioni) manufatti e “universali”. Unità di misura fondamentali e derivate. Simboli e regole del SI. Unità logaritmiche.
Errori e variabilità statistica delle misure. Fluttuazioni naturali del misurando e variabilità delle misure ripetute: media e varianza campionaria. Varianza del valor medio. Concetti probabilistici e statistici (densità di probabilità, momenti del primo e del secondo ordine, proprietà di alcune distribuzioni significative). Metodi per la stima dei valori di misura. Incertezza composta in misure dirette o indirette e incertezza di modello. Regressione lineare e metodo dei minimi quadrati per la stima di parametri di misura.
Trasduttori per applicazioni industriali. Caratterizzazione statica di un trasduttore (sensibilità, risoluzione, dinamica, soglia, isteresi). Condizioni ambientali e grandezze d’influenza. Affidabilità del trasduttore. Trasduttori di posizione, velocità e accelerazione (lineari e angolari), forza e coppia. Trasduttori di livello. Trasduttori di pressione e portata. Trasduttori di temperatura: termocoppie e termopile, termistori, Pt-100, sensori integrati. Metodi di misura per la caratterizzazione dinamica dei trasduttori.
Elettronica di condizionamento del segnale di misura. Buffer di tensione, amplificatore per strumentazione, amplificatore a trans-impedenza, comparatore e integratore. Ponte di Wheatstone e metodi di zero. Filtri analogici. Vantaggi della riduzione di banda ed effetto dell’integrazione sul rumore differenziale.
Conversione analogico/digitale e segnali numerici. Campionamento e conversione A/D. Caratteristica e non-idealità di un convertitore A/D. Risoluzione dimensionale e adimensionale di un convertitore A/D. Incertezza di quantizzazione: limitazioni e pregi dei segnali numerici. Numero di bit equivalenti al variare del rapporto S/N. Convertitore A/D ad approssimazioni successive (differenziale). Convertitore A/D a doppia rampa (integratore).
Strumentazione generale di laboratorio. Multimetro. Oscilloscopi analogici e digitali.Analizzatori di spettro.
Linee o canali di trasmissione e bus di campo. Segnali bilanciati e sbilanciati. Cenni alle schermature e alla trasmissione di segnali in ambienti disturbati: linee bifilari e cavi intrecciati; schermi e cavi coassiali. Bus di campo.
Trasmissione, ricezione e acquisizione dei dati di misura. Cenni alle caratteristiche dei trasmettitori e ricevitori (analogici e digitali) a bassa frequenza, in ottico e a radiofrequenza. Schede di acquisizione dati e software LabVIEW.
Attività di laboratorio
L'attività di laboratorio, essenzialmente di tipo sperimentale, ha lo scopo di istruire lo studente nell’uso della moderna strumentazione digitale di misura. In particolare, saranno insegnati i fondamenti di programmazione del linguaggio LabVIEW e quanto appreso sarà direttamente verificato mediante la preparazione di esperimenti di misura basati su schede di acquisizione dati. Si sperimenteranno in concreto le problematiche connesse con il condizionamento e l’elaborazione del segnale di misura. Gli studenti avranno la possibilità di cimentarsi anche nell’uso di voltmetri numerici, generatori di funzioni, oscilloscopi digitali e analizzatori di spettro per la caratterizzazione e misura di segnali di tensione/corrente con l’acquisizione automatizzata (via RS-232 o GPIB) dei dati di misura.
Ogni studente svolgerà 12 ore di laboratorio suddivise in 3 sessioni. Ai sistemi DAQ e al software LabVIEW saranno dedicate le prime 8 ore di laboratorio e all’impiego degli altri strumenti di misura le rimanenti ore di laboratorio. I dettagli organizzativi relativi alle attività di laboratorio e alle corrispondenti valutazioni saranno presentati a esercitazione comunque resi consultabili alla pagina WEB del Corso.
[LV] Introduzione all’ambiente LabVIEW e all’uso della scheda di acquisizione dati. 4 h
[SEC] Realizzazione e caratterizzazione di un controllore termico mediante cella Peltier. Misura con differenti sensori di temperatura e confronto critico; registrazione digitale dell’evoluzione temporale della temperatura ed elaborazione delle misure. 4 h
[SEO] Utilizzo dell’oscilloscopio digitale per misure della caratteristica ingresso-uscita di un filtro e di un sensore. Misure da sensori di posizione/velocità angolare con salvataggio ed elaborazione dei dati. 4 h
Prerequisiti
Costituiscono utile propedeuticità agli argomenti del corso le materie di Elettrotecnica e Fondamenti di Elettronica.
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