• Blended Learning & Flipped Classroom

Nell’insegnamento si presenteranno allo studente gli aspetti fondamentali delle operazioni di misura ed 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 attraverso la trattazione 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.

Per la trattazione dei sensori di temperatura, si prevede 1 CFU erogato con Didattica Innovativa, attraverso Blended Learning & Flipped Classroom.

A seguito del superamento dell’esame, lo studente:

-conosce i termini e i principi di base della metrologia;

-conosce l'attuale organizzazione del sistema internazionale di unità di misura;

-è in grado di stimare l'incertezza di misura e la sua propagazione, attraverso tecniche statistiche;

-conosce la sensoristica e la sua elettronica di interfaccia;

-conosce i principi di funzionamento della principale strumentazione elettronica di misura;

-è in grado di gestire problemi non strettamente inerenti alle problematiche affrontate nel Corso di laurea assumendo decisioni motivate che è in grado di comunicare in modo chiaro e convincente;

-in autonomia, opera e comunica le scelte progettuali effettuate;

- acquisce le competenze necessarie ad effettuare misure con la moderna strumentazione ed interpretarne correttamente i risultati. Tali competenze saranno consolidate ulteriormente dalle attività di laboratorio sperimentale proposte nel corso.

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.  Metodi di misura per la caratterizzazione dinamica dei trasduttori. Sensori di temperatura: termocoppie e termopile, termistori, Pt-100, sensori integrati e pirometri ottici. La trattazione dei sensori di temperatura, verrà gestita con Didattica Innovativa, attraverso Blended Learning & Flipped Classroom.

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 di misura. Segnali di misura. Richiami alle proprietà della trasformata di Fourier. 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, flash e a doppia rampa.

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.

Sistemi di acquisizione dei dati di misura. 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.

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 filtri e di un sensore.                                4 h

Costituiscono utile propedeuticità agli argomenti del corso le materie di Elettrotecnica, Fondamenti di Elettronica e Fondamenti di Automatica.

La valutazione dello studente è effettuata in base all'esito della prova d'esame e dei laboratori. La prova d'esame consiste in una verifica scritta con eventuale discussione orale a discrezione del docente o su richiesta dello studente.

La prova scritta consiste in una serie di domande di teoria a risposta multipla, a cui seguono degli esercizi da svolgere.

E' prevista nel corso una prova in itinere sugli argomenti trattati nella prima parte del corso. Il risultato di tale prova, se positivo, consentirà di non svolgere una parte del compito scritto gli appelli successivi, mantenendo per tale parte il risultato conseguito nella prova in itinere. Per tutti gli appelli dell'anno sarà possibile mantenere il risultato della prova in itinere.

Le valutazioni dei laboratori assegnano un massimo di 1.5 punti. I punteggi ottenuti nelle prove di laboratorio sono addizionali sul voto riportato nella prova d'esame, se già sufficiente.

Sul sito sono riportati i lucidi del corso, alcune dispense di approfondimento e i temi d'esame con soluzione degli ultimi anni.