01-Lezione PON CORSO BAITAH Dott. SUMA

BAITAH A6: I PARAMETRI DEGLI AMBIENTI DOMESTICI

Dario D’Ambruoso: [email protected] Suma: [email protected]

mailto:[email protected]


Breve presentazione2

Nata nel 1997; Soluzioni di Connettività Internet; Soluzioni per il Web; Soluzioni per la Domotica; Soluzioni per il controllo qualità; Visione Artificiale ed Elaborazione di Immagini;




Cosa vedremo

Controllare l’ambiente; Sensori domestici:

Introduzione; Rilevatore di allagamento; Rilevatore ottico di fumo; Rilevatore di umidità; Rilevatore di luce; Rilevatore di rumore; Rilevatore di gas con lampada di

emergenza; Rilevatore caduta; Rilevatore di movimento.

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Introduzione; Vivere in Casa:

Realizzare/Adattare una casa; Soluzioni per la camera da letto; Soluzioni per la cucina; Soluzioni per il bagno;

Il luogo di lavoro: Superamento delle barriere

verticali; Accessibilità; Visitabilità; Adattabilità;

Cosa vedremo4

I segnali: Introduzione; Classificazione; I segnali analogici; I segnali Digitali; I segnali Periodici; I segnali Aperiodici; La conversione A/D; Gli strumenti digitali; La caratterizzazione matematica dei

segnali; Esercitazione;

Introduzione

Indagini sulla salute e al ricorso ai servizi sanitari, dimostrano che in Italia le persone con disabilità sono 2 milioni 800 mila, pari a circa il 5% della popolazione che vive in famiglia di età superiore ai 6 anni;

In Italia gli anziani sono circa il 19% della popolazione e le stime li prevedono al 25% tra neppure un decennio;

Si consideri che circa l’80% vive in alloggi inadeguati, non accessibili alla persona che li dovrebbe utilizzare;

Tale preoccupante dato porta come conseguenza una restrizione delle attività sociali dell’individuo;

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Introduzione

Questi argomenti non coinvolgono solo persone in situazione di grave disabilità, ma anche persone che per cause diverse corrono il rischio di veder decrescere il proprio livello di autonomia in una situazione di “incongruità ambientale”.

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Vivere in casa7

Vivere in casa

La CASA è probabilmente il luogo più importante nella vita di una persona ed è il luogo che maggiormente rispecchia la nostra personalità.

Quando l’autonomia personale è ridotta, il desiderio principale è quello di poter rimanere il più a lungo possibile nella propria casa.

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Vivere in casa: Realizzare-Adattare una Casa 1/7

Cosa NON si deve assolutamente dimenticare nell’adattamento/realizzazione di una casa?

La casa deve essere adeguata alle caratteristiche, alle capacità e alle esigenze di chi la abita, senza per questo renderla un luogo inospitale o asettico come un ospedale.

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Vivere in casa: Realizzare-Adattare una Casa

Gli interventi strutturali da effettuare possono essere molti:

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Abbattimento di barriere architettoniche;

Interventi di partitura degli spazi; Ponderare al meglio gli acuisti arredi

e attrezzature domestiche; Realizzate impianti che consentano

un facile controllo ambientale; Qualora necessario considerare

ausili, e molto altro.


Cosa fare quando serve un ausilio?

Il primo passo da fare è CONTATTARE LA PROPRIA ASL:

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Il medico di base attiva lo specialista competente (Fisiatra, Neuropsichiatra Infantile, Geriatra, ecc...), il quale ha il compito di valutare la disabilità ed elaborare insieme all’équipe riabilitativa, alla persona disabile e alla famiglia, il progetto all’interno del quale si inserisce l’ausilio.


È ora che si valuta l’ausilio utile?

Sì! Valutata la disabilità ci sono le condizioni per INDIVIDUARE L’AUSILIO.

Il medico specialista e l’équipe riabilitativa, individuano l’ausilio più adeguato:

ad esempio, per un persona che non deambula può essere consigliata una carrozzina particolare, quella più idonea per le esigenze della persona; per chi invece richiede un’intensa assistenza nei trasferimenti può essere individuato un sistema di sollevamento ad hoc, ecc.

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Dopo l’individuazione dell’ausilio cosa succede?

Una volta individuato l’ausilio, il medico specialista della ASL ne fa la PRESCRIZIONE, cioè attiva il percorso che consentirà la fornitura dell’ausilio a carico (totale o parziale) del SSN.

La prassi di ACQUISIZIONE dell’ausilio sarà seguita dal Servizio Protesi e Ausili della ASL che autorizza la prescrizione e provvede a pagare direttamente il fornitore.

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Dipende dal costo dell’ausilio indicato. Ad ogni codice del Nomenclatore corrisponde una tipologia di ausili ed una cifra massima che può essere erogata dal SSN.

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Il Nomenclatore Tariffario copre per intero le spese degli ausili?


Mentre il Nomenclatore Tariffario prevede una serie di ausili legati alla persona, altre leggi puntano ad adattare la casa alle esigenze della persona...

La filosofia di quanto detto sin qui è proprio questa, ma l’obiettivo finale di autonomia e qualità della vita in sostanza non cambia; anzi, agendo parallelamente, i tre percorsi possono colmare i reciproci “vuoti”.

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Riassumendo:

Se una persona disabile dispone dei requisiti necessari per “accedere” ad eventuali aiuti, destreggiarsi tra leggi nazionali e regionali potrebbe essere tutto piuttosto complicato!

Per questo è importante pere come destreggiarsi!

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Vivere in casa: La camera da letto

È un ambiente che spesso necessita di poche modifiche strutturali, però nel caso di abitanti con disabilità più o meno gravi, diventa l’ambiente della casa più vissuto, per cui è fondamentale prestare attenzione alla disposizione e alla tipologia degli arredi.Cominciamo dall’elemento principale, il letto. Ovviamente richiede attente valutazioni: deve essere comodo e adatto alle esigenze dell’utilizzatore e degli eventuali assistenti.

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Vivere in casa: La camera da lettoSe una persona richiede una totale assistenza nelle procedure igieniche, nella vestizione/ svestizione, nei trasferimenti e nei cambi posturali.

Assistere una persona allettata a 50cm oppure a 80-90cm di altezza è completamente diverso in termini di affaticamento dell’assistente. Il letto ad altezza variabile è solo una componente del confort ambientale che si riallaccia al significato più ampio di ergonomia.

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Che dire sui comodini?

Diciamo che ci sono delle caratteristiche che facilitano la fruibilità di questo arredo: si consigliano elementi posizionati su rotelle, quindi facilmente movimentabili al bisogno, oppure comodini muniti di un piano mobile che permette di ruotare ed accostarsi completamente a chi è a letto trasformandosi anche in tavolino. È consigliabile che non sia troppo basso. Se il letto non è regolabile in altezza è opportuno avere il piano superiore del comodino circa 20 cm più alto del materasso.

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Che dire sull’armadio?

Possiamo distinguere 3 tipologie di soluzioni, dalla più alla meno accessibile:

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La cabina armadio: se opportunamente personalizzata a seconda delle necessità è la soluzione più accessibile perché tutto è a vista e raggiungibile;

L’armadio con ante scorrevoli; L’armadio con ante a battente.

Vivere in casa: La cucinaEssere sicura e bella, questo è possibile combinando prodotti del mercato seriale con accorgimenti personalizzati. Come per gli altri ambienti, in fase di progettazione è importante eventualmente individuare le capacità residue della persona ed eventuali punti critici legatiall’attività che vorrà svolgere in cucina . Come in tutte le stanze della casa, bisogna prevedere adeguati spazi di circolazione e di manovra, senza strettoie o altri ostacoli, inoltre è indispensabile realizzare un’organizzazione degli spazi tale da limitare al massimo gli spostamenti.

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Vivere in casa: La cucina

Occorre distribuire accuratamente i vari elementi del piano di lavoro ed organizzare la collocazione degli elettrodomestici.

Il piano di lavoro: deve garantire un adeguato accostamento anche alla persona seduta od in carrozzina, per cui deve lasciare lo spazio per l’inserimento delle gambe.

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Vivere in casa: La cucinaIl piano di cottura deve facilitare il compito nello spostamento dei pesi verso il lavello o il piano di lavoro.

Ogni ripiano del frigo deve essere accessibile, quindi per persone in carrozzina sono da evitare i modelli molto alti.

È consigliabile un forno separato dal piano cottura, se incassato all’altezza del piano di lavoro diviene fruibile per tutti.

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Vivere in casa: La cucina

Per quanto riguarda la lavastoviglie, la collocazione è da prevedere a fianco del lavello (per facilitare la movimentazione dei pesi tra i due elementi) facendo attenzione che non ostacoli gli spostamenti della persona tra il lavello, il piano di lavoro ed il piano cottura.

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Vivere in casa: Il bagnoSpesso le dimensioni di questa stanza sono limitate e possono rendere difficoltosi gli spostamenti, le manovre e le procedure igieniche. Non esiste un bagno accessibile per tutte le persone soprattutto anziani o disabili, come non esistono i sanitari per “disabilistandard”, è sempre necessario tenere in massima considerazione le capacità della persona, le sue esigenze, l’intervento dei care giver e, possibilmente, non dimenticarsi dell’aspetto estetico.

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Vivere in casa: Il bagnoLa collocazione del lavabo è da valutare insieme alla disposizione degli strumenti sanitari.

La rubinetteria deve prevedere una leva oppure una fotocellula. Leve troppo lunghe sono sconsigliabili tranne che in rari casi, in quanto non danno vantaggi sensibili rispetto a leve di dimensione ridotte.

Lo specchio va collocato più in basso possibile a partire dal bordo del lavabo, per avere una visione idonea sia da in piedi che da seduti.

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Vivere in casa: Il bagnoIl wc deve essere collocato a centro parete in modo da essere facilmente avvicinabile da entrambi i lati.

Si preferisce un wc sospeso, in modo da poterne regolare l’altezza in funzione dell’utilizzatore.

La doccia, lo strumento più utilizzato per l’igiene del corpo qualora non vi sia la necessità di utilizzare una vasca.

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Vivere in casa: Il bagnoPer quanto riguarda lo stazionamento nella doccia Il seggiolino ribaltabile che vediamo quasi sempre nei bagni pubblici per disabili non è quasi mai la soluzione ideale, poiché si suppone che il soggetto abbia un perfetto controllo del tronco perché in generale non ci sono braccioli laterali, ed in alcuni casi nemmeno lo schienale.

Per questo è consigliabile una sedia doccia.

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Il luogo di lavoro29

Il luogo di lavoro

I luoghi di lavoro eccellenti non sono solo frutto delle relazioni quotidiane vissute dai dipendenti e i manager, ma anche e soprattutto quello che concerne l’ambiente quindi lo spazio costruito.

Per le persone “diversamente abili” l’entrata nel mondo del lavoro, oltre ad essere uno strumento di acquisizione di un più alto grado di autonomia, assume un rilievo particolare perché costituisce un cruciale fattore di integrazione nell’economia e nella società in generale e l’effetto di una compiuta integrazione.

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Il luogo di lavoro: Barriere Verticali

Il superamento delle BARRIERE VERTICALI per accedere alle strutture è una tematica ricorrente per le persone con disabilità e non solo, molti edifici per esempio, in particolare quelli datati, presentano dei gradini per raggiungere la porta d’ingresso. Tali problematiche si ritrovano spesso anche all’interno delle stesse abitazioni. Esistono varie possibilità per superare le barriere verticali, soluzioni tecnologiche e non: Rampa fissa o mobile; Montascale; Ascensori/elevatori; Scala-elevatrice.

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Il luogo di lavoro: Barriere Verticali

Non si può stilare una classifica, ogni strumento presenta dei pro e dei contro che grossolanamente si può tentare di elencare e questo comunque non significa che una particolare soluzione si possa sempre abbinare ad una precisa disabilità.

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Il luogo di lavoro

In relazione alle finalità delle presenti norme si considerano tre livelli di qualità dello spazio costruito:

1. Accessibilità;

2. Visitabilità;

3. Adattabilità.

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Il luogo di lavoro

1. Accessibilità: esprime il più alto livello in quanto ne consente la totale fruizione nell’immediato;

2. Visitabilità: rappresenta un livello di accessibilità limitato ad una parte più o meno estesa dell’edificio o delle unità immobiliari, che consente comunque ogni tipo di relazione fondamentale anche alla persona con ridotta o impedita capacità motoria o sensoriale;

3. Adattabilità: rappresenta un livello ridotto di qualità, potenzialmente suscettibile, per originaria previsione progettuale, di trasformazione in livello di accessibilità; l’adattabilità è, pertanto, un’accessibilità differita.

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Il luogo di lavoro: Accessibilità

Le porte di accesso di ogni unità ambientale devono essere facilmente manovrabili, di tipo e luce netta tali da consentire un agevole transito anche da parte di persona su sedia a ruote; il vano della porta e gli spazi antistanti e retrostanti devono essere complanari.

Occorre dimensionare adeguatamente gli spazi antistanti e retrostanti, con riferimento alle manovre da effettuare con la sedia a ruote, anche in rapporto al tipo di apertura.

Sono ammessi dislivelli in corrispondenza del vano della porta di accesso di una unità immobiliare, ovvero negli interventi di ristrutturazione, purché questi siano contenuti e tali comunque da non ostacolare il transito di una persona su sedia a ruote.

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Per dimensioni, posizionamento e manovrabilità la porta deve essere tale da consentire una agevole apertura della/e ante da entrambi i lati di utilizzo; sono consigliabili porte scorrevoli o con anta a libro, mentre devono essere evitate le porte girevoli, a ritorno automatico non ritardato e quelle vetrate se non fornite di accorgimenti per la sicurezza. Le porte vetrate devono essere facilmente individuabili mediante l'apposizione di opportuni segnali.

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I pavimenti devono essere di norma orizzontali e complanari tra loro e, nelle parti comuni e di uso pubblico, non sdrucciolevoli.

Eventuali differenze di livello devono essere contenute ovvero superate tramite rampe con pendenza adeguata in modo da non costituire ostacolo al transito di una persona su sedia a ruote.

Nel primo caso si deve segnalare il dislivello con variazioni cromatiche; lo spigolo di eventuali soglie deve essere arrotondato.

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Nelle parti comuni dell'edificio, si deve provvedere ad una chiara individuazione dei percorsi, eventualmente mediante una adeguata differenziazione nel materiale e nel colore delle pavimentazioni.

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I grigliati utilizzati nei calpestii devono avere maglie con vuoti tali da non costituire ostacolo o pericolo rispetto a ruote, bastoni di sostegno, ecc.; gli zerbini devono essere incassati e le guide solidamente ancorate.


Le porte, le finestre e le porte-finestre devono essere facilmente utilizzabili anche da persone con ridotte o impedite capacità motorie o sensoriali.

I meccanismi di apertura e chiusura devono essere facilmente manovrabili e percepibili e le parti mobili devono poter essere usate esercitando una lieve pressione.

Ove possibile si deve dare preferenza a finestre e parapetti che consentono la visuale anche alla persona seduta. Si devono comunque garantire i requisiti di sicurezza e protezione dalle cadute verso l'esterno.

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La disposizione degli arredi fissi nell'unità ambientale deve essere tale da consentire il transito della persona su sedia a ruote e l'agevole utilizzabilità di tutte le attrezzature in essa contenute. Dev'essere data preferenza ad arredi non taglienti e privi di spigoli vivi.

Le cassette per la posta devono essere ubicate ad una altezza tale da permetterne un uso agevole anche a persona su sedia a ruote.

Per assicurare l'accessibilità gli arredi fissi non devono costituire ostacolo o impedimento per lo svolgimento di attività anche da parte di persone con ridotte o impedite capacità motorie.

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In particolare: I banconi e i piani di appoggio utilizzati per le normali operazioni del

pubblico devono essere predisposti in modo che almeno una parte di essi sia utilizzabile da persona su sedia a ruote, permettendole di espletare tutti i servizi;

Nel caso di adozione di bussole, percorsi obbligati, cancelletti a spinta ecc., occorre che questi siano dimensionati e manovrabili in modo da garantire il passaggio di una sedia a ruote;

Eventuali sistemi di apertura e chiusura, se automatici, devono essere temporizzati in modo da permettere un agevole passaggio anche a disabili su sedia a ruote;

Ove necessario deve essere predisposto un idoneo spazio d'attesa con posti a sedere.

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Gli apparecchi elettrici, i quadri generali, le valvole e i rubinetti di arresto delle varie utenze, i regolatori degli impianti di riscaldamento e condizionamento, nonché i campanelli, pulsanti di comando e i citofoni, devono essere, per tipo e posizione planimetrica ed altimetrica, tali da permettere un uso agevole anche da parte della persona su sedia a ruote; devono, inoltre, essere facilmente individuabili anche in condizioni di scarsa visibilità ed essere protetti dal danneggiamento per urto.

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Nei servizi igienici devono essere garantite, con opportuni accorgimenti spaziali, le manovre di una sedia a ruote necessarie per l'utilizzazione degli apparecchi sanitari.

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Deve essere garantito in particolare: Lo spazio necessario per l'accostamento laterale della sedia a

ruote alla tazza e, ove presenti, al bidet, alla doccia, alla vasca da bagno, al lavatoio, alla lavatrice;

Lo spazio necessario per l'accostamento frontale della sedia a ruote al lavabo, che deve essere del tipo a mensola;

La dotazione di opportuni corrimano e di un campanello di emergenza in prossimità della tazza e della vasca;

Si deve dare preferenza a rubinetti con manovra a leva e, ove prevista, con erogazione dell'acqua calda regolabile mediante miscelatori termostatici, e a porte scorrevoli o che aprono verso l'esterno.

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Nelle cucine gli apparecchi, e quindi i relativi punti di erogazione, devono essere preferibilmente disposti sulla stessa parete o su pareti contigue. Al di sotto dei principali apparecchi e del piano di lavoro va previsto un vano vuoto per consentire un agevole accostamento anche da parte della persona su sedia a ruote.

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La soglia interposta tra balcone o terrazza e ambiente interno non deve presentare un dislivello tale da costituire ostacolo al transito di una persona su sedia a ruote. é vietato l'uso di porte-finestre con traversa orizzontale a pavimento di altezza tale da costituire ostacolo al moto della sedia a ruote. Almeno una porzione di balcone o terrazza, prossima alla porta-finestra, deve avere una profondità tale da consentire la manovra di rotazione della sedia a ruote.

Ove possibile si deve dare preferenza a parapetti che consentano la visuale anche alla persona seduta, garantendo contemporaneamente i requisiti di sicurezza e protezione dalle cadute verso l'esterno.

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Il luogo di lavoro: AccessibilitàCorridoi e passaggi devono presentare andamento quanto più possibile continuo e con variazioni di direzione ben evidenziate.

I corridoi non devono presentare variazioni di livello; in caso contrario queste devono essere superate mediante rampe.

La larghezza del corridoio e del passaggio deve essere tale da garantire il facile accesso alle unità ambientali da esso servite e in punti non eccessivamente distanti tra loro essere tale da consentire l'inversione di direzione ad una persona su sedia a ruote.

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Il corridoio comune posto in corrispondenza di un percorso verticale (quale scala, rampa, ascensore, servoscala, piattaforma elevatrice) deve prevedere una piattaforma di distribuzione come vano di ingresso o piano di arrivo dei collegamenti verticali, dalla quale sia possibile accedere ai vari ambienti, esclusi i locali tecnici, solo tramite percorsi orizzontali.

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Le scale devono presentare un andamento regolare ed omogeneo per tutto il loro sviluppo. Ove questo non risulti possibile è necessario mediare ogni variazione del loro andamento per mezzo di ripiani di adeguate dimensioni. Per ogni rampa di scale i gradini devono avere la stessa alzata e pedata. Le rampe devono contenere possibilmente lo stesso numero di gradini, caratterizzati da un corretto rapporto tra alzata e pedata.

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Il luogo di lavoro: AccessibilitàLe porte con apertura verso la scala devono avere uno spazio antistante di adeguata profondità.

I gradini delle scale devono avere una pedata antisdrucciolevole a pianta preferibilmente rettangolare e con un profilo preferibilmente continuo a spigoli arrotondati.

Le scale devono essere dotate di parapetto atto a costituire difesa verso il vuoto e di corrimano. I corrimano devono essere di facile prendibilità e realizzati con materiale resistente e non tagliente.

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Il luogo di lavoro: AccessibilitàLe scale comuni e quelle degli edifici aperti al pubblico devono avere i seguenti ulteriori requisiti: La larghezza delle rampe e dei pianerottoli deve permettere il

passaggio contemporaneo di due persone ed il passaggio orizzontale di una barella con una inclinazione massima del 15% lungo l'asse longitudinale;

La lunghezza delle rampe deve essere contenuta; in caso contrario si deve interporre un ripiano in grado di arrestare la caduta di un corpo umano;

Il corrimano deve essere installato su entrambi i lati; In caso di utenza prevalente di bambini si deve prevedere un

secondo corrimano ad altezza proporzionata.

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La pendenza di una rampa va definita in rapporto alla capacità di una persona su sedia a ruote di superarla e di percorrerla senza affaticamento anche in relazione alla lunghezza della stessa. Si devono interporre ripiani orizzontali di riposo per rampe particolarmente lunghe. Valgono in generale per le rampe accorgimenti analoghi a quelli definiti per le scale.

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L'ascensore deve avere una cabina di dimensioni minime tali da permettere l'uso da parte di una persona su sedia a ruote. Le porte di cabina e di piano devono essere del tipo automatico e di dimensioni tali da permettere l'accesso alla sedia a ruote.

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Il sistema di apertura delle porte deve essere dotato di idoneo meccanismo (come cellula fotoelettrica, costole mobili) per l'arresto e l'inversione della chiusura in caso di ostruzione del vano porta.

I tempi di apertura e chiusura delle porte devono assicurare un agevole e comodo accesso alla persona su sedia a ruote. Lo stazionamento della cabina ai piani di fermata deve avvenire con porte chiuse. La bottoniera di comando interna ed esterna deve avere il comando più alto ad un'altezza adeguata alla persona su sedia a ruote ed essere idonea ad un uso agevole da parte dei non vedenti.

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Nell'interno della cabina devono essere posti un citofono, un campanello d'allarme, un segnale luminoso che confermi l'avvenuta ricezione all'esterno della chiamata di allarme, una luce di emergenza.

Il ripiano di fermata, anteriormente alla porta della cabina deve avere una profondità tale da contenere una sedia a ruote e consentirne le manovre necessarie all'accesso.

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Deve essere garantito un arresto ai piani che renda complanare il pavimento della cabina con quello del pianerottolo.

Deve essere prevista la segnalazione sonora dell'arrivo al piano e un dispositivo luminoso per segnalare ogni eventuale stato di allarme.

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Nelle unità immobiliari e negli spazi esterni accessibili devono essere installati, in posizioni tali da essere agevolmente visibili, cartelli di indicazione che facilitino l'orientamento e la fruizione degli spazi costruiti e che forniscano una adeguata informazione sull'esistenza degli accorgimenti previsti per l'accessibilità di persone ad impedite o ridotte capacità motorie.

Negli edifici sedi di aziende o imprese soggette al collocamento obbligatorio, il requisito dell'accessibilità si considera soddisfatto se sono accessibili tutti i settori produttivi, gli uffici amministrativi e almeno un servizio igienico per ogni nucleo di servizi igienici previsto. Deve essere sempre garantita la fruibilità delle mense, degli spogliatoi, dei luoghi ricreativi e di tutti i servizi di pertinenza.

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Il luogo di lavoro: Visitabilità

Nelle unità immobiliari, deve essere consentito l'accesso, da parte di persona su sedia a ruote, alla zona di soggiorno o di pranzo, ad un servizio igienico e ai relativi percorsi di collegamento.

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Nelle sale e nei luoghi per riunioni e spettacoli, almeno una zona deve essere agevolmente raggiungibile, anche dalle persone con ridotta o impedita capacità motoria, mediante un percorso continuo in piano o raccordato con rampe, ovvero mediante ascensore o altri mezzi di sollevamento.

Qualora le attività siano soggette alla vigente normativa antincendio, detta zona deve essere prevista in posizione tale che, nel caso di emergenza, possa essere agevolmente raggiunta una via di esodo accessibile o un <<luogo sicuro statico>>.

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In particolare, la sala riunioni, spettacoli e ristorazione deve inoltre: Essere dotata di posti riservati per persone con ridotta capacità

motoria, in numero pari ad almeno due posti per ogni quattrocento o frazione di quattrocento posti, con un minimo di due;

Essere dotata, nella stessa percentuale, di spazi liberi riservati per le persone su sedia a ruote, predisposti su pavimento orizzontale, con dimensioni tali da garantire la manovra e lo stazionamento di una sedia a ruote;

Essere consentita l'accessibilità ad almeno un servizio igienico e, ove previsti, al palco, al palcoscenico ed almeno ad un camerino spogliatoio con relativo servizio igienico.

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Ogni struttura ricettiva (alberghi, pensioni, villaggi turistici, campeggi, ecc.) deve avere tutte le parti e servizi comuni ed un determinato numero di stanze accessibili anche a persone con ridotta o impedita capacità motoria. Tali stanze devono avere arredi, servizi, percorsi e spazi di manovra che consentano l'uso agevole anche da parte di persone su sedia a ruote.

Qualora le stanze non dispongano dei servizi igienici, deve essere accessibile sullo stesso piano, nelle vicinanze della stanza, almeno un servizio igienico.

Il numero di stanze accessibili in ogni struttura ricettiva deve essere di almeno due fino a 40 o frazione di 40, aumentato di altre due ogni 40 stanze o frazione di 40 in più.

In tutte le stanze è opportuno prevedere un apparecchio per la segnalazione, sonora e luminosa, di allarme.

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I luoghi per il culto devono avere almeno una zona della sala per le funzioni religiose in piano, raggiungibile mediante un percorso continuo e raccordato tramite rampe.

Per assicurare la visitabilità gli arredi fissi non devono costituire ostacolo o impedimento per lo svolgimento di attività anche da parte di persone con ridotte o impedite capacità motorie.

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Il luogo di lavoro: Adattabilità

Gli edifici di nuova edificazione e le loro parti si considerano adattabili quando, tramite l'esecuzione differita nel tempo di lavori che non modificano né la struttura portante, né la rete degli impianti comuni, possono essere resi idonei, a costi contenuti, alle necessità delle persone con ridotta o impedita capacità motoria, garantendo il soddisfacimento dei requisiti previsti dalle norme relative alla accessibilità.

La progettazione deve garantire l'obiettivo che precede con una particolare considerazione sia del posizionamento e dimensionamento dei servizi ed ambienti limitrofi, dei disimpegni e delle porte, sia della futura eventuale dotazione dei sistemi di sollevamento.

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Il luogo di lavoro: Adattabilità

A tale proposito quando all'interno di unità immobiliari a più livelli, per particolari conformazioni della scala non è possibile ipotizzare l'inserimento di un servoscala con piattaforma, deve essere previsto uno spazio idoneo per l'inserimento di una piattaforma elevatrice.

Negli interventi di ristrutturazione si deve garantire il soddisfacimento di requisiti analoghi a quelli descritti per la nuova edificazione, fermo restando il rispetto della normativa vigente a tutela dei beni ambientali, artistici, archeologici, storici e culturali.

L'installazione dell'ascensore all'interno del vano scala non deve compromettere la fruibilità delle rampe e dei ripiani orizzontali, soprattutto in relazione alla necessità di garantire un adeguato deflusso in caso di evacuazione in situazione di emergenza.

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Il luogo di lavoro: Specifiche

La luce netta della porta di accesso di ogni edificio e di ogni unità immobiliare deve essere di almeno 80cm. La luce netta delle altre porte deve essere di almeno 75 cm.

Gli spazi antistanti e retrostanti la porta devono essere dimensionati nel rispetto dei minimi previsti negli schemi grafici di seguito riportati.

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L'altezza delle maniglie deve essere compresa tra 85 e 95cm (consigliata 90cm).

Devono inoltre essere preferite soluzioni per le quali le singole ante delle porte non abbiano larghezza superiore ai 120 cm, e gli eventuali vetri siano collocati ad una altezza di almeno 40 cm dal piano del pavimento.

L'anta mobile deve poter essere usata esercitando una pressione non superiore a 8 kg.

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Qualora i pavimenti presentino un dislivello, questo non deve superare i 2,5 cm. Ove siano prescritte pavimentazioni antisdrucciolevoli.

Nelle finestre lo spigolo vivo della traversa inferiore dell'anta apribile deve essere opportunamente sagomato o protetto per non causare infortuni. Le ante mobili degli infissi esterni devono poter essere usate esercitando una pressione non superiore a kg 8.

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Per consentire alla persona seduta la visuale anche all'esterno, devono essere preferite soluzioni per le quali la parte opaca del parapetto, se presente, non superi i 60 cm di altezza dal calpestio, con l'avvertenza, però, per ragioni di sicurezza, che l'intero parapetto sia complessivamente alto almeno 100 cm e inattraversabile da una sfera di 10 cm di diametro.

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Negli edifici residenziali le cassette per la posta non devono essere collocate ad una altezza superiore ai 140cm.

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Nei luoghi aperti al pubblico, nei quali il contatto con il pubblico avviene mediante tavoli o scrivanie, deve essere previsto un adeguato spazio libero, eventualmente in ambiente separato, per poter svolgersi una ordinata attesa, nel quale inoltre possano disporsi un congruo numero di posti a sedere (preferibilmente sedie separate). La distanza libera anteriormente ad ogni tavolo deve essere di almeno 1,50 m, e lateralmente di almeno 1,20 m al fine di consentire un agevole passaggio fra i tavoli e le scrivanie.

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Quando, in funzione di particolari affluenze di pubblico, è necessario prevedere transenne guida- persone, queste devono essere di lunghezza pari a quella della coda di persone che viene considerata la media delle grandi affluenze, e di larghezza utile minima di 0,70 m.

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Il luogo di lavoro: SpecificheLa transenna che separa il percorso di avvicinamento allo sportello da quello di uscita deve essere interrotta ad una distanza di 1,20m dal limite di ingombro del bancone continuo o del piano di lavoro dello sportello a parete.

In ogni caso le transenne guida-persone non devono avere una lunghezza superiore a 4,00 m.

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Le transenne guida-persone devono essere rigidamente fissate al pavimento ed avere una altezza al livello del corrimano di 0,90 m.

Almeno uno sportello deve avere il piano di utilizzo per il pubblico posto ad altezza pari a 0,90 m dal calpestio della zona riservata al pubblico.

Nei luoghi aperti al pubblico nei quali il contatto con il pubblico avviene mediante bancone continuo, almeno una parte di questo deve avere un piano di utilizzo al pubblico posto ad un'altezza pari a 0,90m dal calpestio.

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Gli apparecchi elettrici, i quadri generali, le valvole e i rubinetti di arresto delle varie utenze, i regolatori di impianti di riscaldamento e di condizionamento, i campanelli di allarme, il citofono, devono essere posti ad una altezza compresa tra i 40 e i 140cm.

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A tal fine devono essere rispettati i seguenti minimi dimensionali: Lo spazio necessario all'accostamento e al trasferimento laterale dalla

sedia a ruote alla tazza w.c. e al bidet, ove previsto, deve essere minimo 100 cm misurati dall'asse dell'apparecchio sanitario;

Lo spazio necessario all'accostamento laterale della sedia a ruote alla vasca deve essere minimo di 140 cm lungo la vasca con profondità minima di 80 cm;

Lo spazio necessario all'accostamento frontale della sedia a ruote al lavabo deve essere minimo di 80 cm misurati dal bordo anteriore del lavabo.

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Per garantire la manovra e l'uso agevole del lavello e dell'apparecchio di cottura, questi devono essere previsti con sottostante spazio libero per un'altezza minima di cm 70 dal calpestio.

Il parapetto deve avere una altezza minima di 100 cm ed essere inattraversabile da una sfera di 10cm di diametro.

Per permettere il cambiamento di direzione, balconi e terrazze dovranno avere almeno uno spazio entro il quale sia inscrivibile una circonferenza di diametro 140cm.

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Le rampe di scale che costituiscono parte comune o siano di uso pubblico devono avere una larghezza minima di 1,20 m ed avere una pendenza limitata e costante per l'intero sviluppo della scala. I gradini devono essere caratterizzati da un corretto rapporto tra alzata e pedata (pedata minimo 30 cm): la somma tra il doppio dell'alzata e la pedata deve essere compresa tra 62-64 cm.

In corrispondenza delle interruzioni del corrimano, questo deve essere prolungato di 30 cm oltre il primo e l'ultimo gradino.

77

Controllare l’ambiente78

Controllare l’ambienteEsistono svariati dispositivi, quali telecomandi, smartphone, prese telecomandate… L’unione di queste tecnologie con i prodotti domotici presenti sul mercato allargato consentono grandi possibilità. L’obiettivo finale dell’uso di queste tecnologie è funzionale all’autonomia possibileed alla realizzazione di abitazioni fruibili, almeno nelle loro funzioni principali, da ognuno di noi, compreso chi ha disabilità motorie, sensoriali e cognitive. Ragionando in termini di autonomia della persona, la tecnologia costituisce il passo successivo all’abbattimento delle barriere architettoniche.

79

I sensori domestici80

Sensori Domestici: Introduzione81

I sistemi moderni possono controllare tutta l’abitazione e intervenire in caso di incendio, allagamento, fughe di gas o assenza di energia elettrica.

In caso di fuga di gas o di un principio di allagamento i Sistemi sono in grado di “reagire” automaticamente inviando un messaggio via radio ad una Elettrovalvola per la chiusura istantanea dei rubinetti centralizzati.

Tutti i Rivelatori dedicati alla sicurezza domestica sono attivi indipendentemente, per fornire protezione totale alla casa e alle persone che vi abitano 24 ore su 24, 365 giorni all’anno.

Sensori Domestici: Introduzione82

1. Rilevatore di allagamento;

2. Rilevatore ottico di fumo;

3. Rilevatore di umidità;

4. Rilevatore di luce;

5. Rilevatore di rumore;

6. Rilevatore di gas con lampada di emergenza;

7. Rilevatore caduta;

8. Rilevatore di movimento.

Sensori Domestici: Allagamento

Il sensore di allagamento risponde alla necessità di sicurezza domestica legata a comportamenti a rischio, a causa di una cattiva manutenzione o di una dimenticanza da parte dell’utente. Il sensore allagamento è composto da due parti: la parte di trasmissione radio unita a una sonda da un cavetto di 1,5 m.

La sonda controlla l’eventuale presenza di liquidi e in caso di rilevazione invia tramite l’unità radio una segnalazione al terminale.

L’unità radio non viene danneggiata in quanto posizionata ad un’altezza superiore rispetto alla sonda.

83

Sensori Domestici: Fumo

Può rivelare la presenza di particelle di fumo da incendio. In caso di allarme invia una telefonata ai numeri programmati e contemporaneamente attiva la sirena della Centrale e la Sirena per esterni, con la specifica modulazione antincendio.

84

Sensori Domestici: Umidità

É possibile raggruppare i diversi principi di misura ed i relativi sensori in due categorie:

Igrometri diretti, che presentano una relazione funzionale esistente tra l’umidità e una proprietà fisica;

Igrometri indiretti, che effettuano una trasformazione termodinamica e misurano quindi l’umidità indirettamente sulla base di una relazione termodinamica;

85

Sensori Domestici: Luce

I sensori di luce, consentono di misurare la quantità di luce presente in una stanza.

Applicazioni: Risparmio energetico; Ridurre lo stress degli occhi; Rilevazione di presenza.

86

Sensori Domestici: Luce

Il valore di luminosità desiderato viene regolato sulla base di entrambe le sorgenti. In una mattinata nebbiosa o piovosa, l’incidenza della luce diurna è ridotta, per cui la componente di luce artificiale selezionata sarà pertanto maggiore.

87

Sensori Domestici: Luce88

Si misura la somma della luce artificiale e della luce diurna. Per poter all’aumentare della luce diurna, spegnere la luce artificiale al momento giusto, il segnalatore di presenza deve conoscere la percentuale di luce artificiale. Tale valore viene rilevato e analizzato continuamente.

Sensori Domestici: Rumore

I sensori di rumore, consentono di misurare la quantità di rumore presente in una stanza.

Applicazioni: Adattare il volume di stereo, o TV; Segnalare di soglie di rumore eccessivo; Antifurto.

89

Sensori Domestici: Gas

Il sensore di Gas risponde alle necessità di sicurezza in tutti quei casi in cui la cattiva combustione o il funzionamento irregolare di sistemi possono causare situazioni di pericolo per l'utente.

Quando la concentrazione di CO supera 40ppm, il sensore entra in allarme anticipando la concentrazione di CO dannosa per il corpo umano. Tale tempo/concentrazione d’intervento è stabilito dalla Normativa Europea EN 50291. del gas.

90

Sensori Domestici: Gas

Allo stesso modo i sensori di Gas metano e GPL sono utili per rilevare fughe di gas dovute a cattiva manutenzione o malfunzionamento di apparecchiature domestiche quali la caldaia.

Tutti i sensori gas, in presenza di gas in concentrazione molto inferiore alla soglia di pericolosità, attivano una segnalazione acustica e luminosa e, dopo un ritardo di circa 15 secondi, oltre a inviare l’allarme al terminale possono, se adeguatamente installati, azionare un relè che chiude la valvola di erogazione del gas.

91

Sensori Domestici: Caduta

Si tratta di un dispositivo da applicare preferibilmente alla cintura, atto a rilevare la caduta della persona. Al suo interno incorpora due sensori che rilevano rispettivamente l’impatto con il terreno e la posizione del corpo.

Il sensore di caduta si attiva quindi solo dopo aver rilevato l’impatto e la posizione orizzontale. La concomitanza di questi due eventi genera una fase di preallarme di circa 15 secondi segnalata mediante un avviso acustico, durante i quali l’utente può bloccare la procedura di segnalazione con la pressione di un apposito tasto.

92

Sensori Domestici: Caduta

Nel caso in cui la procedura non venga bloccata, il sensore trasmetterà via radio una richiesta di soccorso al terminale di telesoccorso che genererà una chiamata di allarme verso la Centrale Operativa.

Sul dispositivo è presente un secondo tasto che permette di attivare una richiesta di soccorso immediata, come un normale telecomando. Il sensore di caduta gestisce inoltre la segnalazione dello stato di batteria scarica. La durata della batteria in condizioni normali è di circa 12 mesi.

93

Sensori Domestici: Movimento

Il sensore ha lo scopo di rilevare il movimento della persona all’interno di un’abitazione.

Applicazioni: Inviare in caso di necessità un’eventuale segnalazione. Il sensore

posizionato in un luogo strategico dell’abitazione permette di rilevare il passaggio dell’anziano;

L’assenza di tale rilevazione per un periodo configurabile fino a 32 ore, attiva l’invio di un allarme per mancanza di movimento. Il sensore è dotato di un comodo interruttore ON/OFF, che permettere di spegnerlo in caso di assenza prolungata dall’abitazione (es. durante le vacanze)per evitare falsi allarmi.

94


Oltre 1000 zone coprono l’intero ambiente come in una scacchiera rilevando ogni movimento.

95

La rete a scacchiera formata dalle varie zone è fitta tanto da rilevare il minimo movimento, come la pressione dei tasti di una tastiera


Range di rilevamento quadrato si adatta perfettamente alle geometrie dell’ambiente.

96

Range di rilevamento circolare presenta sovrapposizioni, e angoli morti.

I segnali97

I segnali: IntroduzionePer capire il concetto di segnale possiamo pensare a: Il segnale acustico prodotto da uno strumento musicale (che dal

punto di vista fisico può essere caratterizzato come una variazione della pressione dell'aria provocata dallo strumento, e rilevata dal nostro orecchio);

Il segnale misurato da un elettrocardiografo (una debole tensione elettrica) e registrato sulla tipica "strisciata";

Il segnale radio (un campo elettromagnetico variabile) captato dall' antenna di un ricevitore;

Il segnale luminoso emesso da una lampadina di un semaforo, o da un apparecchio televisivo, e così via.

98

I segnali: Introduzione

«IL SEGNALE È UNA QUALUNQUE GRANDEZZA FISICA VARIABILE CUI È ASSOCIATA UNA INFORMAZIONE.»

99

I segnali: Introduzione

Come rappresentare un segnale che sia perfettamente noto allo scopo di caratterizzarlo,

studiarlo ed elaborarlo?

100

Con una funzione matematica di una o più variabili.

I segnali: IntroduzioneI trasduttori misurano le grandezze fisiche, queste possono essere definite in: Grandezze continue, che possono assumere valori continui all’interno di un

certo intervallo (es. temperatura di un utensile, velocità di rotazione di un motore, ecc...).

Grandezze discrete, che assumo un insieme discreto di valori (es. verso di rotazione di un motore, numero di pezzi lavorati al minuto, ecc...).

Le informazioni associate alle grandezze fisiche sono dette segnali. Le grandezze continue sono descritte da Segnali analogici; Le grandezze discrete sono descritte da Segnali codificati oppure da

Segnali logici;

101

I segnali: Classificazione

Possiamo dividere i segnali in: Segnali a tempo continuo; Segnali a tempo discreto.

Oppure: Segnali ad ampiezza continua; Segnali ad ampiezza discreta.

102

I segnali: ClassificazioneI segnali a tempo continuo e ad ampiezza continua si dicono analogici.

I segnali a tempo ed ampiezza discreta si dicono numerici.

Quest’ultimi sono tipicamente trattati nei calcolatori elettronici.

Anche i segnali a tempo discreto e ampiezza continua hanno una grande importanza perché costituiscono l’oggetto delle tecniche di elaborazione numerica dei segnali (DSP – Digital Signal Processing).

103

I segnali: Classificazione104

I segnali: Classificazione

Tutte le fasi mostrate nell’immagine precedente vengono analizzate più in dettaglio nel seguito.

…diciamo soltanto che la registrazione su CD avviene 44100 volte al secondo, e userà 16 bit per ogni singolo valore campionato.

105

I segnali analogiciIl segnale analogico ha la caratteristica di essere continuo nel tempo ed assumere valori continui all’interno di un certo intervallo. Il calcolatore impiega un certo intervallo di tempo per elaborare i segnali di ingresso, e quindi non può seguire l’evolversi continuo del segnale analogico, ma dovrà acquisire campioni del segnale analogico ad istanti discreti di tempo. Questa operazione viene detta CAMPIONAMENTO del segnale.

Il segnale campionato ancora non può essere elaborato dal calcolatore in quanto assume valori continui, e quindi teoricamente infiniti, mentre il calcolatore può rappresentare un numero finito di valori in base alla massima dimensione di parola rappresentabile dall’unità aritmetica. Occorre quindi eseguire un’operazione di quantizzazione sul segnale campionato in modo che questo possa venire rappresentato dall’aritmetica del calcolatore.

106

I segnali: Digitali107

(a) (b)

Il segnale digitale (dall’inglese digit, cifra), o numerico, è un segnale che può assumere solo un numero limitato di valori (a); un caso particolare si ha quando i valori possibili sono due: in tal caso si parla di segnale digitale binario (b).

I segnali: Digitali

I segnali digitali o numerici sono così definiti in quanto idonei a rappresentare sequenze di cifre associate ai possibili livelli. Il segnale (a) può essere interpretato come la sequenza 1 - 2 - 3 - 0 - 2 - ...; il segnale (b) può essere interpretato come la sequenza 1 - 0 - 1 - 1 - 0 - … le cui cifre, per la caratteristica che hanno di poter assumere solo due valori, sono dette cifre binarie o bit.

108

(a) (b)

I segnali: Periodici e Aperiodici109

Un segnale è definito periodico se per qualsiasi istante si ha

dove la costante , denominata periodo, è il più piccolo intervallo di tempo che realizza tale condizione; in parole povere ciò significa che il segnale in questione si ripete a intervalli di durata . L’insieme di valori che il segnale assume in un intervallo è detto ciclo.

I segnali: La conversione A/D e D/A110

Le conversioni digitale-analogico e analogico-digitale consentono il collegamento fondamentale tra il mondo delle quantità analogiche e quello dei segnali numerici o digitali.

Gli ADC (acronimo di "Analog Digital Converter") hanno il compito di convertire il segnale analogico in ingresso a un dispositivo nella sua equivalente forma digitale. Essi sono disponibili sul mercato in diverse forme realizzative utili per una vasta serie di applicazioni.

Lo sviluppo dei DAC (acronimo di "Digital Analog Converter") è stato reso possibile dall'avvento degli interruttori elettronici ad alta velocità.

I segnali: La conversione A/D e D/A111

Nei moderni sistemi digitali è spesso necessario collegare componenti o parti che possono essere lontane tra loro.

Questa tendenza è favorita dal fatto che i segnali digitali sono meno soggetti di quelli analogici all'influenza dei disturbi e del rumore.

I segnali: La conversione A-D112

La conversione da analogico a digitale richiede tre operazioni: Campionamento Discretizzazione in tempo Quantizzazione Discretizzazione in ampiezza Codifica Rappresentazione del campione quantizzato con N cifre

I segnali: La conversione A-D113

Segnale AnalogicoSegnale Campionato

(impulsi di ampiezza uguale al segnale nell’istante di campionamento)

Segnale Quantizzato

(gli impulsi del segnale campionato vengono assimilati al livello codificato più vicino)

Segnale Codificato

(ogni campione viene rappresentato con un numero di N cifre)

I segnali: Il campionamento114

Il processo di campionamento di un segnale analogico, variabile nel tempo, riveste una notevolissima importanza nella maggior parte dei sistemi elettronici di misura e di controllo.

Esso infatti consente il passaggio dal dominio del continuo a quello del discreto, operazione che facilita la conversione dei segnali da analogico in digitale.


Trasforma un segnale analogico in una sequenza di segnali impulsivi, di ampiezza uguale al valore del segnale originario ad istanti di tempo determinati;

Il segnale campionato si ottiene moltiplicando il sengale analogico per una serie di di Dirac.


Per ricostruire il segnale è sufficiente isolare mediante un filtro passa-basso la parte di spettro in banda base;

frequenza di campionamento; L’isolamento dello spettro principale è possibile se è verificata la

condizione ; frequenza di Nyquist;


La sovrapposizione degli spettri non permette di ricostruire correttamente il segale di partenza;

Nessun segnale reale è a banda rigorosamente limitata, per cui si inserisce un filtro detto anti-aliasing prima del circuito campionatore.

Quando la condizione non è soddisfatta si ha una sovrapposizione degli spettri detta aliasing;

I segnali: Sample/Hold118

L’operazione di conversione A/D non è istantanea, occorre quindi mantenere il valore del campione per il tempo necessario ad eseguire la conversione. Questa operazione viene eseguita mediante un circuito di sample/hold (campionamento e mantenimento).

I segnali: Sample/Hold119

Lo spettro del segnale campionato e mantenuto equivale allo spettro del segnale campionato moltiplicato per una funzione di tipo .

Il segnale di partenza può essere ricostruito compensando con un apposito filtro di uscita la distorsione dello spettro prodotta dal circuito di mantenimento.

I segnali: Quantizzazione120

Consiste nel far corrispondere ad ogni campione analogico un valore numerico;

Un numero di cifre può rappresentare ; Dal momento che un campione può assumere infiniti valori all’interno

di un dato intervallo, occorre dividere il campo dei valori del campione analogico ) in intervalli di ampiezza ed associare ognuno di questi ad uno dei valori.

I segnali: Quantizzazione121

Per ottenere un errore di quantizzazione massimo pari a , l’uscita digitale codifica intervalli di quantizzazione di ampiezza simmetrici tranne il primo codice ‘000’ e l’ultimo ‘111’ che rappresentano soltanto mezzo intervallo . Il valore di si calcola dividendo il fondo scala per .

I segnali: Codifica122

Codici unipolari pesati e non: Codice binario puro – E’ il codice

normalmente usato per valori positivi. Codice BCD – E’ usato principalmente

negli strumenti di misura. Codice di Gray – E’ un esempio di codice

non pesato. Ogni codice differisce dal successivo di un bit. E’ usato raramente.

I segnali: Codifica123

Codici binari bipolari: Il codice complemento a due è il più

utilizzato per rappresentare numeri negativi. I numeri positivi sono rappresentati come nel codice binario puro mentre quelli negativi con il complemento a due. È usato nei sistemi a microprocessori e per implementare algoritmi matematici. Inoltre, costituisce lo standard per i sistemi audio digitali.

Il codice modulo e segno ha il vantaggio che per piccole variazioni intorno allo zero cambia soltanto il bit di segno.

I segnali: ricapitolando…124

Il teorema di Shannon afferma che:

«un segnale analogico il cui spettro si estenda dalla frequenza nulla a quella fM può essere completamente rappresentato da una sequenza di campioni regolarmente spaziati, ottenuti con una frequenza di campionamento non inferiore a 2fM , ovvero quando sia verificata la condizione fc ≥ 2fM .»

I segnali: Gli strumenti digitali125

I pregi della strumentazione digitale sono: La facilità di lettura ; L'attendibilità dei risultati; Alti livelli di accuratezza e risoluzione; Alti valori di velocità sia di campionamento sia di

conversione; L'elevata immunità al rumore.

I segnali: Gli strumenti digitali126

SENSORESISTEMA DI

CONDIZIONAMENTO DEL SEGNALE

ADC MEMORIA DISPLAY

SISTEMA DI CONTROLLO

I segnali: Caratterizzazione matematica

Ad ogni segnale x(t) si può sempre associare la potenza istantanea normalizzata pari a x2(t) e l’energia associata al

segnale x(t) come

o, per i segnali a tempo discreto:

127

2( )xE x t dt

2[ ]x

n

E x n


Un segnale x(t) si definisce periodico se soddisfa la seguente relazione:

Dove T0 rappresenta il periodo del segnale che è legato alla frequenza di ripetizione f0 del segnale stesso dalla relazione

128

0( ) ( )x t x t T

00

1f T


Come possiamo trattare segnali periodici arbitrari, in particolare non sinusoidali?

Secondo la base della moderna teoria dei segnali si utilizza la serie di Fourier, che dice:

«Un segnale reale periodico qualunque può essere espresso come somma di oscillazioni sinusoidali di ampiezza, frequenza e fase opportune.»

129

I segnali: Caratterizzazione matematica130

0 01

( ) 2 cos(2 )k kk

x t A A kf t

02( ) j kf t

kk

x t X e

cos( )2

jx jxe ex

sin( )

2

jx jxe ex

0

0

0

22

0 2

1( )

Tj kf t

k

T

X x t e dtT


Ma cosa succede quando si ha a che fare con segnali aperiodici a tempo continuo?

È sempre possibile rappresentare un segnale non periodico come una opportuna sovrapposizione di segnali elementari, in particolare sinusoidali?

131


Concettualmente, prendendo un treno di impulsi rettangolare periodico xp(t) di periodo T0, possiamo passare a un segnale aperiodico con la seguente assunzione:

132

0

( ) lim ( )pT

x t x t


Sulla base di questa formulazione, introduciamo la trasformata di Fourier, secondo i suoi formalismi matematici:

133

0

0

0

22

0 0

2

( ) ( )T

j kf tk p

T

X kf X T x t e

2( ) ( ) j ftx t X f e df

0

0

000

/22 2

/20

( ) lim ( ) ( )T

j kf t j ftp

TTf

X f x t e dt x t e dt


Concludendo, il segnale aperiodico è visto come un segnale periodico di «periodo illimitato» e quindi con frequenza fondamentale «infinitamente piccola».

134

I segnali: 1° Esempio

Consideriamo ancora una volta il segnale impulso rettangolare:

e calcoliamone la trasformata di Fourier X(f):

135

( ) ( )tx t rect T

/2/2 22 2

/2 /2

sin( )( ) ( )

2

TT i fti ft i ft

T T

e fTX f x t e dt e dt

i f f

I segnali: 1° Esempio136


È molto utile prendere in considerazione la funzione gradino unitario u(t) (detta anche funzione di Heavyside) come segue:

Questo segnale è rappresentativo di una serie di segnali detti causali, cioè nulli per t<0. Un esempio è il segnale esponenziale unilatero .

137

1 0

1( ) 020 0

t

u t t

t


La trasformata di Fourier di questo segnale sarà:

Ricordando sempre che :

138

(1/ 2 )2 / 2 (1/ 2 )

0 0 0

( ) ( )1/ 2 1 2

t T i fi ft t T i ft t T i f e T

X f x t e dt e e dt e dtT i f i fT

( )( ) ( ) i fX f A f e

2( )

1 (2 )

( ) arctan(2 )

TA f

fT

f fT

Esercitazione139

Burocrazia: Iter per Ausili

1. Contattare l’ALS Valutazione della disabilità;

2. Individuazione dell’ausilio adeguato da parte dello specialista;

3. Lo specialista effettua la prescrizione;

NB: non è detto che il nomenclatore tariffario copra per intero le spese

140

Progettazione: Camera da letto

Il letto; Il comodino; Armadio;

141

Progettazione: Camera da letto

Il letto: Altezza variabile;

Il comodino: Elementi su ruote; Comodini muniti di piano mobile;

L’armadio: Cabina armadio;

142

Progettazione: Cucina

Il piano di lavoro; Il piano cottura; Il tavolo; Gli elettrodomestici;

143

Progettazione: Cucina

Il piano di lavoro: Deve garantire un adeguato accostamento;

Il piano cottura: Deve facilitare lo spostamento dei pesi verso il lavello;

Il tavolo: Deve consentire alla sedia su ruote di inserirsi sotto;

144

Progettazione: Cucina Gli elettrodomestici:

Il frigo deve essere accessibile, quindi con ripiani non troppo alti;

Il forno è preferibile se separato dal piano cottura, e incassato all’altezza del piano;

La lavastoviglie di fianco al lavello per consentire il facile passaggio delle stoviglie dal lavello;

145

Progettazione: Bagno Il bagno; Il lavabo; Lo specchio; Il wc; La doccia.

146

Progettazione: Bagno Il bagno:

Corrimano; Campanello di emergenza; Spazio per accostamento a tutti i sanitari e per le

manovre; Il lavabo:

Essere provvisto di rubinetteria a leva o fotocellula; Specchio:

Deve essere collocato il più in basso possibile;

147

Progettazione: Bagno Il wc:

Deve essere collocato al centro della parete; Deve essere preferibilmente sospeso;

La doccia: Si preferisce la sedia-doccia, rispetto al seggiolino.

148

Progettazione: Accesso La porta; Il pavimento; La scala; La rampa; L’ascensore.

149

Progettazione: Accesso La porta:

Deve consentire un agevole utilizzo sono consigliate porte scorrevoli;

Il pavimento: Di norma devono essere orizzontali e senza dislivelli; Qualora ci siano dislivelli minimi, gli stessi devono

essere superabili mediante rampe; I grigliati nei calpestii devono avere vuoti tali da non

costituire ostacoli o pericoli;

150

Progettazione: Accesso La scala:

Deve permettere il passaggio di due persone contemporaneamente;

Deve prevedere un corrimano su entrambi i lati; La rampa:

Qualora colmi dislivelli importanti deve prevedere dei ripiani per consentire il riposo;

L’ascensore: Deve avere una cabina di dimensioni minime tali da

consentirne l’uso da parte di una persona su sedia con ruote; Non deve presentare dislivelli al piano.

151

Fondamenti di Misure152

Misurare l’ambienteCosa occorre (o è buona norma) misurare in una Casa o Ambiente di Lavoro?

1. L’illuminazione;

2. La temperatura;

3. L’umidità;

4. La qualità dell’aria;

5. La rumorosità.

153

La Misura La metrologia è, in senso lato, la scienza della misurazione

delle grandezze fisiche e, più propriamente, lo studio storico dei sistemi metrici utilizzati dai vari popoli nelle diverse nazioni.

Essa è scienza antica e le sue origini sono difficilmente databili, in quanto pur avendo certezza sull'esistenza di diverse unità di misura, utilizzate anche prima della nascita di Cristo, non ne conosciamo né il valore né chi le propose.

154

La MisuraSi può far risalire a Roger Bacon, nel XIII secolo, l’idea dello sviluppo della scienza, in particolare la Fisica, come interazione tra “esperimento” e “matematica”.

155

Fiorì, dopo più di tre secoli, grazie soprattutto a Galileo Galilei (1564-1642), Isaac Newton (1642-1727). Da allora la scienza “naturale” si sviluppa nel continuo confronto tra esperimenti e teoria, cioè tra:“fare misure” ed “interpretare misure”.

La MisuraGalileo Galilei affermò: "Contiamo ciò che è contabile, misuriamo ciò che è misurabile e rendiamo misurabile ciò che non lo è".

Lord Kelvin scrisse: "Io spesso affermo che quando puoi misurare ciò di cui stai parlando e lo puoi esprimere in numeri, tu conosci qualcosa di ciò, ma quando non puoi esprimerlo in numeri, la tua conoscenza è povera e insoddisfacente".

156

La MisuraLe misure sono fondamentali per la verifica di un modello, di una teoria; se il modello o la teoria sono errati, ciò sarà rivelato dalle misure. Viceversa se la misura è errata, non si avrà conferma della validità o meno della teoria. È quindi necessario imparare a capire se una misura è stata o meno eseguita correttamente e può essere impiegata per i fini che si intendeva perseguire.

157

La MisuraPer poter studiare, analizzare, capire i fenomeni del mondo fisico nel quale viviamo, la fisica ricorre a modelli matematici, i quali sono costruiti solo a partire da misure

158

quantitative, utili alla formulazione di leggi fisiche, che devono essere capaci di fare predizioni e di confrontarsi con misure effettuate successivamente. La prima domanda che ci si è posti è stata: PERCHÉ MISURARE?MISURARE permette di conoscere, descrivere, controllare qualsiasi sistema fisico nel miglior modo possibile.

La MISURAZIONE è il processo che porta alla quantificazione di una grandezza fisica mediante un numero, un insieme di numeri.

La MisuraCosa è necessario per eseguire una misura correttamente?

Conoscere cosa si intende misurare (Capacità, Volume, Superficie…);

Conoscere l’unità di misura;

Conoscere le proprietà della variabile da misurare;

Determinare correttamente l’incertezza di misura e le cifre significative con cui esprimere il risultato.

159

La Misura

Lo scopo del MISURARE è quindi esprimere l’intensità di una proprietà di un oggetto, in modo che essa possa essere utilizzata anche in un secondo momento ed eventualmente da altri.

160

MISURANDO: grandezza da misurare;MISURAZIONE: processo di misura per determinare il valore del misurando;MISURA: risultato della misurazione ;

SISTEMA di MISURAZIONE: il dispositivo che consente di eseguire la misura;

La Misura

Per misurando si intende una quantità soggetta a misura, valutata nello stato assunto dal sistema in osservazione durante la stessa misura.

161

La Misura

La misurazione è definita dal VIM (International vocabulary of basic and general terms in metrology):

“il processo per ottenere sperimentalmente uno o più valori che possono essere ragionevolmente attribuiti ad una

grandezza”.

162

La Misura

Essa richiede teoricamente un confronto tra una quantità incognita e una nota, assunta come campione. Nessun risultato di una misura è esente da incertezza.Quando si fornisce il risultato di una misura, occorre riportare un’indicazione quantitativa sulla qualità del risultato.

163

La Misura

In letteratura si incontrano correntemente le dizioni di valore vero o valore convenzionalmente vero, valore atteso e valore teorico a significare il valore della grandezza che si tende a misurare.

164

La Misura

Una misura deve iniziare con un’appropriata specificazione del misurando, del metodo di misura e della procedura di misura. Per metodo di misura s’intende la sequenza logica di

operazioni, descritte in modo generico, impiegate nell’esecuzione delle misure.

Per procedura di misura s’intende l’insieme di operazioni, descritte in modo specifico, utilizzate nell’esecuzione di particolari misure, in accordo a un metodo prefissato.

165

La Misura

Misura Diretta: numero di volte in cui la grandezza riferita al campione della unità di misura è contenuta nella grandezza misurata

Misura Indiretta: si ricava il valore della grandezza fisica del sistema, utilizzando, nella legge che la definisce, il valore di altre grandezze fisiche ottenuto con una misura diretta.

166

Le unità di misura167

La misurazione è il rapporto tra la grandezza fisica osservata e l’unità di misura della grandezza stessa.Per unità di misura si intende quella grandezza reale scalare definita ed adottata per convenzione.Priva di unità, la misura non ha alcun significato fisico.Le unità di misura si suddividono in unità base (o fondamentali) e unità derivate.


Le grandezze base indipendenti attualmente sono il kilogrammo, il secondo e il kelvin. Infatti la definizione del metro richiede quella del secondo, l'ampere è definito sulla base del kilogrammo e del metro, la mole utilizza la definizione del kilogrammo e la candela è definita in base al secondo al kilogrammo e al metro.


Le grandezze e quindi le unità derivate possono essere definite o mediante le loro dimensioni, espresse in funzione delle unità base, o con nomi propri. Per esempio nell'SI l'unità di superficie è il metro quadro (m2), mentre quella di forza è il newton (N) che dimensionalmente risulta pari a kg*m/s2.


È interessante inoltre notare che le attuali unità base possono essere raggruppate in tre distinte categorie: La prima categoria è quella che fa riferimento a un prototipo

e in essa è compreso esplicitamente il kilogrammo e in parte anche la mole, per il suo riferimento al kilogrammo;

La seconda categoria è quella che fa riferimento alla caratteristica di un fenomeno o di uno stato fisico. Appartengono a questo gruppo esplicitamente il secondo e il kelvin e in subordine la candela;

La terza categoria è quella che fa riferimento a costanti fondamentali e in essa rientrano il metro e l'ampere.


Attualmente i migliori campioni sono quelli atomici per l'invariabilità delle proprietà degli atomi in un isotopo di un dato elemento.

Infatti i requisiti di un buon campione sono soprattutto quelli di elevata accuratezza e di stabilità, ovvero di invariabilità con il tempo, e quindi quelli di accessibilità e riproducibilità.


Caratteristiche… L'accuratezza è requisito

indispensabile perché si possa contare su un riferimento certo, per tutti coloro che avessero necessità di controllare la taratura dei propri strumenti di laboratorio.


Caratteristiche… La stabilità come si è detto è notevolmente

migliorata con l'adozione dei campioni atomici, che, a differenza di altri, risentono in minima parte l'effetto delle grandezze di influenza. In tal modo risulta anche meno problematica l'accessibilità al campione a scopi di confronto.


Caratteristiche… La riproducibilità di un campione,

necessaria per cautelarsi da accidentali danneggiamenti, richiede che siano precisati nei minimi particolari i dati di progetto e di costruzione.

Il sistema di unità di misura175

Per misurare una grandezza fisica va prima definita l’unità di misura che si vuole usare. Il valore della misura è quindi il rapporto tra la grandezza fisica in oggetto e l’unità di misura. In passato non solo ogni paese aveva le sue unità di misura, ma all’interno di ogni paese ogni corporazione di artigiani.

Inoltre c’erano più unità di misura dello stesso tipo (per esempio per la lunghezza il pollice, la spanna, il piede, il cubito, lo stadio, il miglio, …) non coordinate tra loro. Una situazione del genere ancora sussiste nei paesi anglosassoni

Il sistema di unità di misura176

La comunità scientifica ha promulgato negli ultimi 200 anni vari sistemi coerenti di unità di misura.

Citiamo il sistema CGS, proposto nel 1874 dalla British Association for the Advancement of Science, sotto suggerimento del fisico Lord Kelvin. Il CGS è ancora parzialmente usato.

Nel 1901 l’italiano Giovanni Giorgi, fisico e ingegnere, propose il sistema MKS (basato sul metro, il chilogrammo e il secondo), da cui deriva il Sistema Internazionale (o SI), adottato nell’ottobre del 1960 dall’XI Conferenza Internazionale di Pesi e Misure, tenutasi a Parigi.

Il sistema di unità di misura

È da ricordare la data del 7 aprile 1795, quando con decreto legge in Francia la Convenzione Nazionale istituì il Sistema Metrico Decimale, che riconduceva: tutte le unità di misura a soltanto quattro grandezze

fondamentali; permetteva l'uso di soli multipli e sottomultipli decimali.

177


Il metro, unità di lunghezza, era definito come la decimilionesima parte di quadrante di un particolare meridiano terrestre passante nei pressi di Parigi e serviva a definire anche l'unità di superficie.

Il kilogrammo, unità di massa, era definito come la massa di un decimetro cubo di acqua distillata alla temperatura della sua massima densità (4 °C).

Il litro, unità di capacità o di volume, era definito come il volume di un kilogrammo di acqua distillata sempre alla temperatura di 4 °C.

178


La poca praticità delle unità di misura così definite portò all'accordo di costruire dei campioni materiali disponibili in laboratorio.

Il 29 giugno 1799 una delegazione dell'Istituto Nazionale delle Scienze e delle Arti presentava al Consiglio dei Cinquecento e deponeva negli archivi francesi i prototipi metallici del metro e del kilogrammo, detti degli Archivi.

179


Nel 1875, con la partecipazione di rappresentanti provenienti da 17 paesi, veniva istituita la Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (CGPM), dove per misure si intendevano le lunghezze e le loro grandezze geometriche derivate. Inoltre si formavano sia il CIPM (Comité International des Poids et Mesures), braccio esecutivo della CGPM, organizzato in Comitati Consultivi, sia il BIPM (Bureau International des Poids et Mesures), la cui sede è Sèvres con compiti di ricerca e coordinamento internazionale.

La CGPM è ancora operante e mentre inizialmente si riuniva ogni sei anni, attualmente è convocata a Sèvres ogni quattro anni.

180

Il sistema di unità di misura: SI

Fu la undicesima CGPM, tenutasi a Parigi dall'11 al 20 ottobre 1960 che decise il sistema metrico fondato sulle sei unità di misura base: metro; kilogrammo; secondo; ampere; kelvin; Candela.

è designato con il nome di "Sistema Internazionale di Unità". L'abbreviazione internazionale di detto sistema è "SI".

181

Il sistema di unità di misura: SI

Nel 1971 la quattordicesima CGPM aggiunse nel SI una settima unità base per le quantità di sostanza, costituita dalla mole.

E in Italia …

Il Sistema Internazionale è stato legalmente adottato in Italia con la legge n.122 del 14 aprile 1978 e con il D.P.R. n.802 del 12 agosto 1982 ed ha avuto l'approvazione oltre che dall'IEC anche dall'ISO (International Standards Organization).

182

Il sistema di unità di misura: SI183

Le unità di base sono così definite:

metro [m]: unità di lunghezza; definito come la lunghezza percorsa nel vuoto da un raggio di luce in 1/299 792 458 di secondo. Inizialmente (1791) era definito come la 40-milionesima parte del meridiano terrestre; in seguito (1889) era stato costruito il metro campione, in una lega di platino-iridio;

chilogrammo [kg]: unità di massa; definito come la massa del prototipo internazionale di chilogrammo, di platino-iridio come il metro campione, conservato anch'esso presso il Bureau International de Poids et Measures a Sevres (1889). Inizialmente era definito come la massa di un decimetro cubo di acqua distillata alla sua massima densità (a 3.98 ºC);


secondo [s]: unità di tempo; definito come la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione prodotta dalla transizione tra due livelli iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di cesio 133. Originariamente era definito come la 86400-esima parte del giorno solare medio;

kelvin [K]: unità di temperatura; è la frazione 1/273.16 della temperatura termodinamica del punto triplo dell’acqua;

mole [mol]: Rappresenta la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0.012Kg di carbonio 12. (XIV CGPM, 1971).


candela [cd]: Rappresenta l’intensità luminosa in una assegnata direzione di una sorgente che emette una radiazione monocromatica di frequenza pari a 540·1012 Hz e la cui intensità energetica in quella direzione è di 1/683 W/sr (watt per steradiante). (XVI CGPM, 1979);

Ampere [A]: Rappresenta l’intensità di corrente elettrica che, mantenuta costante in due conduttori rettilinei, paralleli, di lunghezza infinita, di sezione circolare trascurabile e posti alla distanza di 1m l’uno dall’altro nel vuoto, produce tra i due conduttori la forza di 2·10-7N su ogni metro di lunghezza. (IX CGPM, 1948).


Radiante [rad]: Rappresenta l’angolo piano fra due raggi di un cerchio che sottende sulla circonferenza un arco di lunghezza pari al raggio (XI CGPM, 1960).

Steradiante [sr]: Rappresenta l’angolo solido che avendo il suo vertice al centro di una sfera sottende una calotta sferica avente un’area di dimensioni pari al quadrato del raggio (XI CGPM, 1960).


Grandezza fisicaSimbolo della

grandezzafisica

Nome dell'unità SI

Simbolo dell'unità SI

Intensità di corrente elettrica I, i ampere A

Intensità luminosa Iv candela cd

Lunghezza l metro m

Massa m chilogrammo kg

Quantità di sostanza n mole mol

Temperatura termodinamica T kelvin K

Intervallo di tempo t secondo s

Ogni grandezza fisica e la relativa unità di misura è combinazione di due o più grandezze fisiche e la relativa unità di misura di base, o il reciproco di una di esse

La Misura

Le grandezze fisiche derivate sono una combinazione per moltiplicazione o divisione delle grandezze fisiche fondamentali.

188

Grandezza fisica Simbolo dellagrandezza

fisica

Nome dell'unità SI

Simbolo dell'unità SI

Equivalenza in termini di unità fondamentali SI

frequenza f, ν hertz Hz s−1

forza F newton N kg · m · s−2

pressione, sollecitazione, pressione di vapore

p pascal Pa N · m−2 = kg · m−1· s−2

energia, lavoro, calore

E, Q joule J N · m = kg · m2· s−2

carica elettrica q coulomb C A · sresistenza elettrica

R ohm Ω V · A−1 = m2 · kg · s−3 · A−2

conduttanza elettrica

G siemens S A · V−1 = s3 · A2 · m−2 · kg−1

capacità elettrica C farad F C · V−1 = s4 · A2 · m−2 · kg−1

La Misura

Ricapitolando… Tutte le attività di coordinamento, ricerca e normazione inerenti i

sistemi di misura sono regolate a livello internazionale dal CGPM (Conferenza Generale di Pesi e Misure);

Questo organo si occupa della diffusione e del perfezionamento del SI, coordina il CIPM (Comitato Internazionale di Pesi e Misure) che ne rende esecutive le sue decisioni;

Infine controlla il BIPM (Bureau Internazionale di Pesi e Misure) che si occupa della ricerca e del coordinamento.

189

La Misura

È bene precisare che il CIPM ha anche fissato il modo in cui scrivere le unità di misura e i relativi simboli: Le unità anche se derivate da nomi propri devono essere

scritte in carattere tondo, minuscolo e prive di accenti; I simboli vanno scritti con l'iniziale maiuscola se derivati

da nomi propri, minuscola in tutti gli altri casi; inoltre, essendo simboli e non abbreviazioni, non devono mai

essere seguiti dal punto e infine vanno scritti sempre dopo il valore numerico;

190

La Misura

L'unità di misura, quando non accompagnata dal valore numerico, nel contesto di una frase va riportata per esteso e mai in simbolo;

Per le unità derivate, composte da due o più altre, nella scrittura del simbolo non si devono usare trattini, ma o uno spazio vuoto o un punto a mezza altezza. Per quanto riguarda il prefisso kilo-, la scrittura riportata si preferisce in italiano a quella chilo-; inoltre esso nel simbolo va scritto con la lettera minuscola. Si

consiglia infine, nella scrittura di un numero, di suddividere le terne di cifre partendo dalla virgola.

191

La Misura

E in Italia…

Gli enti normatori italiani sono l’UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione) ed il CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano); Essi si occupano: Della eventuale stesura di proposte avanzate a livello nazionale; Della divulgazione delle adozioni internazionali; Del controllo della ricerca di metrologia.

192

La Misura

Un sistema di unità di misura si dice: Completo se il numero delle grandezze fondamentali è sufficiente a

rappresentare quantitativamente tutti i fenomeni fisici; Assoluto se le unità adottate sono caratterizzate da invariabilità

spaziale e temporale; Razionalizzato quando il numero irrazionale π appare solo in

formule relative a configurazioni circolari, sferiche o cilindriche.

193

La Misura

«UNA QUALSIASI GRANDEZZA FISICA, PER POTER ESSERE

COMPIUTAMENTE ESPRESSA E QUINDI CONFRONTATA CON

ALTRE O PERCHÉ SU DI ESSA POSSANO ESSERE ESEGUITI DEI

CALCOLI, DEVE ESSERE DEFINITA SIA QUALITATIVAMENTE SIA

QUANTITATIVAMENTE».

194

La Misura: Metrologia legale 1/2

La METROLOGIA LEGALE è la parte della metrologia che si occupa delle unità, dei metodi e degli strumenti di misura, relative alle esigenze tecniche e giuridiche dello stato.

Serve a garantire la correttezza delle misure utilizzate per le transazioni commerciali e, più in generale, a garantire la pubblica fede in ogni tipo di rapporto economico tra più parti e le regolamenta mediante disposizioni legislative nazionali, europee.

Il compito principale degli UFFICI METRICI è infatti quello di tutela del consumatore, attraverso il controllo degli strumenti di misura utilizzati negli scambi commerciali e di servizi e la disciplina del marchio dei metalli preziosi.

195

La Misura: Metrologia legale 2/2

La funzione di controllo viene attuata attraverso una serie di verifiche ed ispezioni sugli strumenti metrici sia prima della loro immissione in commercio che durante il loro utilizzo. Gli Uffici metrici effettuano controlli sia su richiesta dei fabbricanti metrici ed utenti metrici, sia autonomamente con finalità ispettive.

L'ufficiale metrico che effettua le verifiche e le ispezioni è a tutti gli effetti un ufficiale di polizia giudiziaria.

Per facilitare gli scambi tra paesi che non hanno la stessa legislazione, è nata l'Organizzazione internazionale di metrologia legale (OIML) che ha sede a Parigi e alla quale aderiscono quasi tutti gli Stati del mondo. Obiettivo è l’armonizzazione delle procedure di controllo metrologico.

196

La Misura: Strumenti di misura 1/2

Una MISURA DIRETTA può farsi tramite il confronto diretto con l’unità di misura o tramite un apposito sistema, più o meno complesso, chiamato strumento di misura tarato.

La TARATURA (CALIBRAZIONE) è la procedura, in genere attuata dal fabbricante, tramite la quale si rende lo strumento in grado di dare misure corrette. In altri termini è l’operazione che consente di valutare l’errore.

N.B.: Anche sulla fase di taratura è possibile valutare l’errore (errore sull’errore).

197

La Misura: Strumenti di misura 2/2

Uno strumento di misura è caratterizzato da alcuni parametri. In particolare:

La portata, cioè l’intervallo dei valori misurabili, per esempio il tachimetro di un’auto può avere una portata di 200 km/h, un voltmetro da -20 V a +20 V;

La sensibilità, espressa come errore di sensibilità o errore di lettura, corrispondente alla minima variazione della grandezza apprezzabile in modo oggettivo;

La prontezza, cioè il tempo occorrente per ottenere il valore della misura (eventualmente con una data approssimazione);

La precisione e l’accuratezza, di cui parleremo in seguito.

198

La Misura: Qualità della misura

Normalmente si distinguono due categorie di errori: accidentali e sistematici. A queste due categorie se ne può aggiungere una terza, cioè quella degli errori grossolani. Gli errori grossolani sono quelli addebitabili a imperizia

dell'operatore o a sua distrazione. Essi possono derivare da letture errate o da un uso improprio degli

strumenti; da trascrizioni non corrette dei dati sperimentali; da errori nell’elaborazione dei risultati. Questi errori sono assenti dagli esperimenti condotti con cura e attenzione:

possono essere eliminati ripetendo l'esperimento.

199

La Misura: Qualità della misura Gli errori sistematici sono quelli che si ripresentano sempre con

lo stesso segno e la stessa ampiezza, ripetendo la misura di una grandezza con la stessa strumentazione quando siano immutate le condizioni operative e ambientali. Gli errori sistematici si calcolano attraverso la differenza tra il risultato della

misura o il valor medio di una serie ripetuta di misure e una stima nota del valore del misurando o il valore convenzionalmente vero del misurando.

Essi sono in genere dovuti ad una non corretta taratura o a difetti degli strumenti;

I difetti possono essere costruttivi, oppure derivare dall'avere sottoposto lo strumento a particolari condizioni o ambientali od operative: particolarmente temibili sono elevate temperature, forti campi elettrostatici o elettromagnetici, sovraccarichi.

Gli errori strumentali possono essere ridotti attraverso una regolazione della curva di taratura dello strumento.

200

La Misura: Qualità della Misura

EFFETTI SISTEMATICI: ripetendo più volte il procedimento di misurazione esse influenzano la misura sempre allo stesso modo.

I fattori di influenza di tipo sistematico derivano da cause conosciute e, come tali, hanno sempre lo stesso effetto sulla misura anche se questa è ripetuta un gran numeri di volte.

La valutazione degli EFFETTI SISTEMATICI va eseguita analizzando teoricamente i diversi fattori di influenza e provvedendo gli effetti che essi possono avere sul risultato finale di misura.

Un simile approccio consente, quindi, anche di apportare la dovuta correzione al risultato di misura.

201

La Misura: Qualità della misura

Gli errori non sistematici o accidentali , Ea, o "random" sono quelli che permangono anche nell'ipotesi di essere riusciti a correggere tutti gli errori grossolani e sistematici. Gli errori accidentali si calcolano come la differenza tra il risultato di una

misura e la media di una serie di misure ripetute. Essi sono l'insieme di un gran numero di effetti. Le cause degli errori accidentali sono prevalentemente imprevedibili

fluttuazioni nelle condizioni operative, strumentali e ambientali.

Al limite, se si sono corretti tutti gli errori sistematici e gli errori accidentali seguono leggi simili di variazione, il valore del misurando tende alla media aritmetica di un numero molto elevato di osservazioni. Quanto più piccoli risultano gli errori accidentali, tanto più si dice che la misura è precisa.

202

La Misura: Qualità della Misura 2/3

È facile verificare che, ripetendo più volte la stessa misurazione, non si ottengono sempre gli stessi risultati. Poiché le cause che producono questo tipo di dispersione nelle misure non sono in genere prevedibili in modo sistematico, non è possibile eliminarle; si può però pensare di attenuarne gli effetti prodotti sulla misura.

Osservando con più attenzione i risultati di misura, si può riscontrare che essi sono compresi all’interno di una fascia di valori.

Inoltre se i risultati ottenuti nelle varie misurazioni vengono mediati, il valore della media è praticamente insensibile agli effetti aleatori

203

La Misura: Qualità della Misura 3/3204

Piccoli errori SISTEMATICI – Piccoli errori CASUALIGrandi errori SISTEMATICI – Piccoli errori CASUALIPiccoli errori SISTEMATICI – Grandi errori CASUALIGrandi errori SISTEMATICI – Grandi errori CASUALI

La Misura: Qualità della Misura

Per corregge gli errori sistematici si definisce la correzione, inteso come valore da aggiungere algebricamente al risultato non corretto di una misura.

C= -ES

Pertanto una stima corretta del valore del misurando si potrà ottenere dalla relazione:

A=X+C

Dal momento che l’errore sistematico potrebbe non essere noto, si definisce un fattore di Correzione CF:

A=CFX

Pertanto l’incompleta conoscenza del valore richiesto per la correzione contribuisce all’incertezza del risultato e quindi, dopo la correzione, il risultato della misura è ancora solo una stima del valore del misurando.

205

IncertezzaL’incertezza è un parametro sia qualitativo sia quantitativo. Qualitativamente essa rappresenta il grado di dubbio sulla validità del risultato di una misura, quando invece essa deve fornire un’indicazione quantitativa va accompagnata dall’aggettivo appropriato.

Il risultato di una misura dovrebbe essere la migliore stima del valore del misurando e va

sempre accompagnato dall’indicazione dell’incertezza, che, come si è detto,

caratterizza la dispersione dei risultati ragionevolmente attribuibili al misurando.

206

IncertezzaLe ragioni dell’incertezza provengono da: La imperfezione strutturale nei componenti degli strumenti

utilizzati; La inadeguatezza del campione di confronto; La limitatezza della scala o del sistema numerico di

visualizzazione dello strumento; Fretta da parte dell’operatore.

Il solo fatto di essere obbligati ad inserire uno strumento di misura in un sistema altera le condizioni iniziali del sistema stesso e non consente la misura del valore che il misurando assumeva prima dell’inserzione.

207

Incertezza L'incertezza di misura è il parametro, associato al risultato di

una misura, che caratterizza la dispersione dei valori che potrebbero essere ragionevolmente attribuiti al misurando.

Una valutazione dell’incertezza è sempre necessaria, anche se fatta implicitamente e mediante considerazioni euristiche. Non conoscere quale sia l’incertezza significa che il valore di una misura è un numero a caso!

Non ha senso essere molto precisi nel fornire un’incertezza, cioè scrivere V=4.8±0.231814 V non è più elegante e non meno esatto che scrivere l’incertezza come 0.23 V!

208

Incertezza Nell’indicazione delle misura (e dell’incertezza) è sempre meglio

essere pessimisti. Per l’incertezza si usano solitamente massimo due cifre o

addirittura una soltanto (se questa è alta). Un discorso analogo di “compattezza” ed “eleganza” va fatto anche nell’esprimere il risultato della misurazione.

Scrivere una misura con un numero eccessivo di cifre (sinonimo di precisione) può essere anche sbagliato, e comunque risulterebbe sproporzionata con l’entità dell’incertezza.

209

Misurazioni e Incertezza Detto questo, il valore V=4.823564212 V rimane comunque il miglior

valore che rappresenta la stima del valore del misurando (spiegato sotto). Quando si decide di scrivere V=4.83 si sta introducendo una quantizzazione, che comunque peggiora la misura e aumenta l’incertezza. È per questo che ha senso introdurre un “peggioramento” che sia comunque inferiore all’incertezza intrinseca del processo o dello strumento di misura.

Regola pratica: scrivere il risultato della misura con una cifra in più rispetto alla prima cifra significativa dell’incertezza.

210

Misurazioni e IncertezzaESEMPIO

Supponiamo di aver misurato una tensione V=2V e una corrente I=3mA. Richiamando la legge di Ohm, R=V/I, e quindi R=2/0.003=666,6666666…Ω

Pensiamoci un attimo: supponiamo che entrambi valori misurati siano stati affetti da un’incertezza relativa percentuale pari a 1%. Nel caso peggiore (vedi sotto), l’incertezza su R sarà del 2%, quindi

A questo punto, nota l’incertezza, possiamo scegliere come esprimere la misura:

Se arrotondiamo a R=0.67KΩ, aumentiamo l’incertezza di 3.3Ω, se invece scriviamo R=667Ω, aumentiamo l’incertezza di 0.33Ω.

Quindi, in definitiva, potremo scrivere la misura come:

R=0.67±0.02KΩ; R=667±14Ω (aumentando la precisione).

Nota: l’ultima cifra significativa con cui si esprime la misura deve corrispondere all’ultima cifra significativa con cui si esprime l’incertezza

211

% 2 2( ) ( ) ( ) 13.33333 0.013333100 0.003 100R

RuU R k

Incertezza La definizione dell'incertezza presuppone l'esistenza del

misurando all'interno di una fascia di valori, che dipende da una deviazione standard, stabilita in base ad un ben preciso livello di confidenza;

Ne deriva chiaramente che l'analisi dell'incertezza richiede semplicemente il ricorso ai principi noti della probabilità e della statistica (che non tratteremo);

L'abbandono dell'approccio deterministico rende superata e inutile la definizione di valore vero del misurando, che è un'entità inconoscibile, ma rende più difficile la comprensione di come migliorare l'accuratezza di una misura.

212

La Misura: Gli erroriPrima di eseguire una misura si può avere una stima, A, del valore del misurando. Questa stima A può essere assunta come valore convenzionalmente vero del misurando.

L’errore può essere definito come: assoluto, relativo o percentuale.

L'errore assoluto, E, è definito come la differenza fra il valore misurato, X, e il valore A:

E=X-A

è evidente che essendo A solo una stima del valore del misurando, l’errore E è un concetto idealizzato e non può essere mai conosciuto esattamente, quindi la correzione non potrà mai essere completa.

213

La Misura: Gli erroriL'errore relativo, e, è definito come il rapporto tra l'errore assoluto, E, e il valore A:

L'errore percentuale, e%, è definito come l'errore relativo, e, espresso in percento:

214

X A Ee

A X

% 100X A

eA

La Misura: Gli erroriInoltre, si definisce accuratezza il grado di approssimazione della quantità misurata (X) al valore del misurando (A):

Mentre la precisione è il grado di approssimazione di un insieme ripetuto di misurazioni della stessa quantità al valor medio:

215

1x

X Aa

A

1 1

1 1, 1 ,

i i

N Ni

x x x ii i

x xp p p x x

N Nx

La Misura: Gli errori

Esistono misure precise ma inaccurate, imprecise ed inaccurate e misure precise ed accurate; non esistono misure accurate ed imprecise.

“Misure accurate sono necessariamente precise”.

216

La Misura: Gli errori sulle misure indirette

dato X=f(a,b,c,…), dove a,b,c sono grandezze misurate, quanto vale la propagazione dell’errore su X?

Ipotizzando che gli errori siano sufficientemente piccoli e che sia possibile confondere l’errore assoluto E=X-A con il differenziale totale della funzione

Si può scrivere la seguente relazione tra l’errore assoluto su X, Ex, e quelli sulle grandezze misurabili Ea,Eb,Ec:

217

...f f f

dX da db dca b c

...

...

x a b c

x a b c

f f fE E E E

a b ca f b f c f

e e e eX a X b X c


Si prenda come esempio la funzione X=ab; svolgendo gli opportuni calcoli risulta che:

Ponendo a=b risulta che l’errore relativo su un quadrato è due volte l’errore relativo sulla base.

Si prenda come esempio la funzione X=a/b; risulterà vero che

218

x a b a b

ab bae e e e e

X X

x a be e e


Consideriamo ora X=a-b ; in questo caso avremo , che fornisce una curiosa considerazione secondo cui l’errore relativo sulla grandezza X è tanto maggiore quanto più le grandezze misurabili sono vicine tra loro. Per cui bisogna sempre ricordare che un metodo di misura basato sulla differenza fra due grandezze misurabili va applicato solo in casi particolari.

219

a bx

ae bee

a b


Poiché accade spesso che gli errori relativi non siano noti con esattezza in entità e segno, se ne fissano i limiti che delimitano la fascia di incertezza. Pertanto si fissa una stima del valore massimo dell’errore relativo, ponendosi nel “caso peggiore”, oppure nel “caso del valore più probabile”, che consiste nel calcolo della radice quadrata della somma dei quadrati dei valori più grandi degli errori relativi.

220

La Misura: Gli errori

Possiamo dire che…

L’errore è come il misurando X: non può mai essere valutato esattamente.

221

La Misura: L’incertezza a l’errore

Ne deriva che una misura sarà sempre affetta da incertezza. Occorre distinguere le parole “errore” e “incertezza”, che non sono assolutamente dei sinonimi, e rappresentano concetti completamente differenti, come sarà chiarito in seguito. Essi non devono essere confusi l’uno con l’altro, né scambiati tra loro.

222

223

La Misura: Esempio 1.

%

%

%

, [ ]

, %

, [ ]

, %

( , )

100

...

, ,

, ,

1... ( ...) ( ...)

,

V

I

X a b

X a b

X a b a b a b

V y c V

e x g

I k s A

e x g

VR f V I

IE X A

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A A Xf f

dX da dba b

dX E da E db E

dX da dbe e e

X a bf f f f f a f b

e X e a e b e a e b e ea b X a b a X b X

V a I

2

2 2

,

1R V I V I V I

R V I

R V I

b R X

V V I R Re e e e e e e

I R I R R Re e e

e e e

Misura di resistenza con metodo voltamperometrico. La tensione misurata risulta di y,c V, con un errore dello x,g%, la corrente è pari a k,s A, misurata con lo stesso errore. Si calcoli l'errore sulla resistenza impiegando i metodi del caso peggiore e del caso più probabile.

223

224


Supponiamo che la misura di tre resistenze elettriche in serie abbia fornito i seguenti risultati, con accanto gli errori di misura: x±y Ω, t±g Ω, n±v Ω. Si calcoli il valore della resistenza equivalente e l'errore relativo.

224

1

2

3

e

3

e 1 2 31

R ?

?

R ( , , )

...

, , ,

, , ,

q

eq

q ii

X a b c

x a b cx a b c

x a b c a b cx

xx

R x y

R t g

R n v

e

X f a b c R R R R x t n

f fdX da db

a bdX E da E db E dc E

E E E Ee e e e

X a b cE E E E ae be cef f f f f f

eX a X b X c X a X b X c X

Ee

31 2 31 2

1 2 3

eR

RR R

x

q

R eR e R ef f f

X R X R X R X

f xy f tg f nv y g v y g ve

x Xx t Xt n Xn X X X x t ny g v

x t nx t n

225


Misura di una resistenza elettrica con media aritmetica di più misure pari a x,y Ω. Alla media si può attribuire un'incertezza dello z% inoltre si è valutato un bias di t,d Ω, con un'incertezza del r%. Dopo aver effettuato la correzione e valutato l'incertezza complessiva si esprima il risultato della misura.

225

%

%

1 1 1 1 1

1

1

1

,

%

,

%

1 1 1 1 1

10

1 1

1

, ,

, %

100

X

BIAS

i si ai

n n n n n

i si ai si aii i i i i

n

aii

n

sii

n

sii

X

BIAS

X x y

u z

BIAS t d

u r

x A E E

X x A E E A E En n n n n

En

X nA En n

X A E BIASn

C BIAS

A X C X BIAS x y t d

x y zu

BIASu

2 2

% , %

100 100

( )

, ( )

BIASX

r t d r

u X u u

X x y C u X

Introduzione

Sensori e Trasduttori226

Sensori e Trasduttori: Schema generico di funzionamento

227

Processo

ADC

Control Unit

DISPLAY

DAC

condizionamento del segnale

Sensori e Trasduttori: Introduzione 1/2

Definiamo dei parametri caratteristici per i trasduttori: CAMPO DI LAVORO: insieme dei valori della grandezza

d’ingresso ai quali corrispondono valori affidabili della grandezza d’uscita;

LINEARITÀ; STABILITÀ: la capacità di mantenere la linearità, nelle diverse

condizioni di lavoro e nel tempo. SENSIBILITÀ: il rapporto tra la variazione della grandezza d’uscita

e quella d’ingresso che l’ha provocata. Corrisponde alla pendenza della curva di conversione in un certo punto;

228


RISOLUZIONE: è la minima variazione della grandezza d’ingresso, apprezzabile all’uscita;

AFFIDABILITÀ; VELOCITÀ DI RISPOSTA; RIPETIBILITÀ; RUMORE; INSENSIBILITÀ AI DISTURBI; ISTERESI: rappresenta la diversa risposta fornita dal trasduttore

qunado subisce variazioni della grandezza fisica d’ingresso di uguale entità ma di verso opposto.

229


Il SENSORE è il primo elemento della catena di misura.

Ha il compito di convertire la grandezza fisica da misurare (misurando) in un’altra più facilmente trattabile.

Il TRASDUTTORE è un dispositivo sensibile che fornisce un segnale elettrico misurabile in risposta ad uno specifico misurando.

Un trasduttore è un sensore ma un sensore non è un trasduttore!!!

230


Più tecnicamente:

Un trasduttore è un dispositivo che converte una grandezza fisica in un segnale elettrico proporzionale. Si tratta di un dispositivo fisico che è stato progettato per trasformare grandezze appartenenti ad un sistema energetico in grandezze equivalenti (proporzionali) appartenenti ad un diverso sistema energetico (di solito più conveniente per gli usi successivi);

Un sensore è un particolare trasduttore utilizzato per sentire (o acquisire) le condizioni operative di una macchina o di un processo. Esso trasforma una grandezza fisica in un’altra equivalente; spesso acquisisce soltanto l’informazione, nel senso che la grandezza di uscita non possiede le stess caratteristiche energetiche possedute da quella originaria.

231

misurandoprimario


Se il sensore non è un trasduttore può essere chiamato corpo di prova e richiede in cascata un trasduttore

232

Sensore(corpo di prova)

misurandosecondario

Trasduttore segnaleelettrico

Sensori e Trasduttori: Sensori attivi e passivi 1/2

La trasduzione in elettrica di una grandezza non elettrica è, quindi, norma eseguita da un sensore, sensibile alla grandezza che si vuole misurare, che viene collocato nel punto di misura

Un sensore può essere attivo o passivo: ATTIVO: forniscono in uscita un segnale elettrico attivo (tensione,

corrente) ottenuto mediante una trasformazione di energia in forma elettrica;

Esempi: Termoelettrico (termocoppia), Piroelettrico (cristalli la cui polarizzazione dipende dalla temperatura), …

PASSIVO: la grandezza da misurare influenza una grandezza elettrica passiva (resistenza, capacità), allimentata da sorgenti esterne di energia.

Esempi: Termoelettrico (termocoppia), Piroelettrico (cristalli la cui polarizzazione dipende dalla temperatura),…

233

Sensori e Trasduttori: Sensori attivi e passivi 1/2Grandezze misurabili

Trasduttori Grandezze in uscita

Temperatura TermocoppieResistenze al platino (RTD)Termistori (NTC PTC)Trasduttori a semiconduttore

TensioneVariazione di resistenza Corrente – Tensione

Forze Pressione PotenziometriEstensimetri (stain gauge)Trasduttori capacitiviTrasduttori piezoelettrici

Variazione di resistenzaVariazione di capacitàTensioneTensione

Posizione PotenziometriTrasduttori ottici digitali

Variazione di resistenzaNumero di impulsi

Spostamento Trasduttori capacitiviTrasformatori differenzialiTrasduttori induttiviTrasduttori ad effetto HallTrasduttori ottici digitaliFotodiodi, fototransistor

Variazione di capacitàTensioneVariazione di induttanzaTensioneNumero di impulsiCorrente – Tensione

Velocità Trasduttori piezoelettriciDinamo tachimetricaTrasduttori ottici digitali

TensioneTensioneFreuenza di impulsi

Intensità luminosa

Fotodiodi, fototransistorFotoresistenzeCelle fotovoltaiche

Corrente – TensioneVariazione di resistenzaTensione

234

Sensori e Trasduttori: Sensori attivi e passivi 2/2

Un sensore attivo può sempre essere rappresentato con il circuito equivalente di Thevenin o Nortnon, con:

Con grandezza da misurare.

Raramente il legame fra o ed è lineare. Essendo la relazione funzionale derivante da interazioni di tipo energetico, deve sempre essere verificata

per

235

Sensori e Trasduttori: Classificazione

La classificazione dei sensori (trasduttori) può essere fatta secondo principi diversi: Attivi/Passivi; Analogici/Digitali. In base alla grandezza misurata: sensori di temperatura, umidità,

illuminazione, velocità; In base alla grandezza che forniscono in uscita: trasduttori resistivi,

induttivi, capacitivi, in tensione, in corrente,… In base al principio fisico (ottico, pneumatico, …); In base al settore di destinazione (agricoltura, robotica, …).

236

Sensori e Trasduttori: Circuiti di condizionamento

Un trasduttore è completato dal CIRCUITO di CONDIZIONAMENTO.

Trasduttore passivo: il circuito di condizionamento è indispensabile per la generazione del segnale elettrico(montaggio).

Trasduttore attivo: il circuito di condizionamento ha il compito di adattare i parametri dell’energia elettrica, generata dal trasduttore, alle caratteristiche d’ingresso del sistema di misura (condizionamento del segnale).

237

Sensori e Trasduttori: Descrizione di un trasduttore

Misurando: grandezza da misurare.

Principio di trasduzione: principio fisico su cui si basa la generazione del segnale elettrico.

Proprietà significative: tipo di elemento sensibile, tipo di costruzione, circuiteria interna, …

Range: limite superiore ed inferiore di variazione del misurando.

238

Sensori e Trasduttori: Caratteristiche di Ingresso

Specie: grandezza fisica in ingresso;

Campo di misura (input range): intervallo di valori del misurando entro il quale il sensore funziona secondo le specifiche. Il suo limite superiore è la portata;

Campo di sicurezza del misurando: intervallo di valori del misurando al di fuori del quale il sensore resta danneggiato permanentemente. I suoi valori estremi sono detti di overload o overrange.

239

Sensori e Trasduttori: Caratteristiche d’Uscita

Campo di normale funzionamento (output range): intervallo di valori dell’uscita quando l’ingresso varia nell’input range;

Potenza erogabile: valore limite della potenza che il sensore può fornire al sistema utilizzatore a valle. Se l’uscita è in corrente, si precisa l’impedenza di carico;

Impedenza di uscita;

Incertezza di uscita: larghezza della fascia comprendente tutti i valori che potrebbero essere assunti, con una certa probabilità (livello di confidenza) a rappresentare il valore della uscita corrispondente ad una certa condizione di funzionamento.

Alimentazione ausiliaria (power supply): viene precisato il valore di tensione o corrente da fornire con una sorgente esterna.

240

Sensori e Trasduttori: Caratteristiche statiche 1/5

Funzione di conversione: funzione che permette di ricavare dall’ingresso il valore della uscita.

Funzione di taratura: relazione che permette di ricavare da ogni valore della grandezza in uscita il valore dell’ingresso e la corrispondente fascia di incertezza. Curva di taratura: valore uscita => valore centrale ingresso; Costante di taratura: pendenza della curva di taratura, se è

lineare; Incertezza di taratura: ampiezza della fascia di valori;

241


Un parametro utile per la valutazione di un sensore è la detectivity che rappresenta l’abilità del trasduttore nel rivelare il segnale di ingresso (limitata dal rumore da esso prodotto) ed è espresso come reciproco dell’unità di misura dell’ingresso.

Ad esempio per un sensore elettrico di spostamento, d=106m-1 significa che il valore di segnale minimo rilevabile è pari a 10-6m.

242


Definiamo anche l’input full scale, o span, o range, o portata come l’intervallo dinamico di ingresso che può essere convertito dal sensore con una incertezza prestabilita.

Il full scale output è invece la differenza fra i segnali di uscita del sensore quando ad esso sono applicati il più alto ed il più basso valore di ingresso.

243


Sensibilità (sensitivity): rappresenta l’efficienza di trasduzione del sensore ed è normalmente espressa come rapporto di due unità di misura differenti.

Stabilità: capacità di conservare inalterate le caratteristiche di funzionamento per un intervallo di tempo relativamente lungo.

244


Linearità: indica di quanto la curva di taratura si discosta dall’andamento rettilineo. E’ il massimo scostamento rispetto ad una retta che può essere calcolata in modi diversi:

245

Retta che rende minimo il massimo scostamento;

Retta ai minimi quadrati; Retta congiungente gli estremi.


Risoluzione: variazione del valore del misurando che provoca una variazione apprezzabile del valore della grandezza in uscita; Se il sensore lavora vicino allo zero, si parla di soglia;

Ripetibilità: attitudine dello strumento a fornire valori della grandezza di uscita poco differenti fra loro, quando è applicato all’ingresso lo stesso misurando, nelle stesse condizioni operative. Si esprime in modo simile all’incertezza di taratura;

246


Isteresi: massima differenza tra i valori della uscita corrispondenti al medesimo misurando, quando si considerano tutti i valori del campo di misura, ed ogni valore viene raggiunto con misurando prima crescente e poi decrescente.

247


La caratteristica ideale o teorica di un sensore lineare è una retta con pendenza unitaria (espressa in percentuale di full-scale output [% FSO] per percentuale della portata [% FS]).

248


Il sensore reale ha un comportamento non ideale che produce una deviazione dell’uscita dal valore “vero”. La differenza tra valore indicato e valore “vero” rappresenta l’errore del sensore.

249

Effetti e principi fisici


Effetti e principi fisici251

Effetto piezoresistivo

Variazione della resistenza elettrica di un materiale dovuta alla sua deformazione meccanica.

La variazione di resistenza nei metalli è molto inferiore a quella nel silicio.

Effetti e principi fisiciEffetto piezoelettrico I sensori piezoelettrici convertono sforzi di trazione, compressione o di

taglio in forze elettromotrici; Sottoponendo dei cristalli opportunamente tagliati a tali sforzi sulle facce

si originano cariche elettriche dell’ordine di , che producono sulla capacità propria del cristallo e su eventuali capacità esterne delle differenze di potenziale, misurabili con strumenti ad alta impedenze;

Il materiale piezoelettrico per eccellenza è il quarzo, ma esistono anche alcune ceramiche con buone caratteristiche di piezoelettricità;

Per un sensore piezoelettrico si definisce sensibilità di carica la grandezza:

dove è la carica prodotta e lo sforzo applicato.

252

Effetti e principi fisiciEffetto piezoelettricoRisulta quindi che:

dove è la forza elettromotrice generata e è la capacità equivalente di tutto ciò che si trova a monte del punto dove si rileva ;

La sensibilità in tensione del trasduttore è data da

varia con e, quindi, con le condizioni di impiego del sensore (cavi di collegamento e strumento di misura. Per ovviare a questo inconveniente, si interpongono, perciò, frequentemente fra sensore e strumento di misura degli opportuni amplificatori di carica (integratori).

253


Hanno frequenze di risonanza elevate e, quindi, si prestano bene a rilievi in regime dinamico

Sono molto robusti e di ridotte dimensioni Sono sensibili alla temperatura ed all’umidità e difficili da

calibrare in condizioni statiche

254

Effetto piezoelettrico


Effetto termoresistivo

Variazione della resistenza elettrica di un materiale (metallo o semiconduttore) dovuta al riscaldamento. La variazione di resistenza nei metalli pure (soprattutto il platino) non è molto elevata ma varia molto linearmente con la temperatura. La resistenza nei semiconduttori o negli ossidi è molto elevata ma varia in modo non lineare con la temperatura.


Effetto termoelettricoQuando una differenza di temperatura è presente tra due parti di un sistema costituito da due conduttori metallici uniti in una giunzione si verificano due effetti: Effetto Seebeck: se la giunzione è mantenuta ad una

temperatura differente da quella delle due parti metalliche libere, si genera una differenza di potenziale tra i due estremi liberi. La tensione, pur abbastanza modesta, dipende quasi linearmente dalla differenza di temperatura;

Effetto Peltier: se una corrente viene fatta passare attraverso la giunzione in essa viene generato o assorbito calore in relazione al verso della corrente circolante.


Effetto fotoelettrico

L’energia dei fotoni incidenti su una superficie metallica si può trasformare in energia cinetica degli elettroni presenti nel metallo stesso. Se l’energia cinetica è sufficiente a superare la barriera di energia potenziale localizzata sulla superficie del metallo si ha emissione di elettroni.Questa scoperta valse il premio Nobel ad Einstein; per molti anni questo principio è stato usato per la realizzazione dei dispositivi optoelettronici realizzati con tubi a vuoto.


Effetto fotoelettrico I sensori fotoelettrici vengono utilizzati per misure l’intensità

luminosa; Questi sensori generano una corrente proporzionale alla potenza

della radiazione luminosa incidente; Tra i sensori fotoelettrici, i dispositivi più comunemente utilizzati

sono i fotodiodi (al silicio o al germanio), che generano correnti specifiche dell’ordine di 10 mA/mW con costanti di tempo dell’ordine di 10 ns; Questi dispositivi sono assai sensibili alla temperatura e la risposta è

lineare solo se essi vengono polarizzati opportunamente.


Effetto fotoelettrico I fotodiodi si basano sulla generazione di portatori (elettroni e

lacune) nella zona svuotata di una giunzione per effetto della radiazione luminosa;

Oltre che per misure dirette di intensità luminosa, i sensori fotoelettrici vengono utilizzati, spesso, in combinazione con emettitori di radiazione luminosa, anche per misure indirette di posizione o velocità (righe ed encoder ottici) e per realizzare fotocellule.


Effetto fotovoltaicoI fotoni incidenti su un reticolo cristallino semiconduttore sono in grado di trasferire la loro energia agli elettroni di valenza del cristallo.

In modo analogo all’effetto fotoelettrico sui metalli, se l’energia acquistata da parte degli elettroni è sufficiente, questi abbandonano la banda di valenza creando coppie elettroni/lacune libere di transitare nel reticolo…


Effetto fotovoltaico…Quando questo avviene in corrispondenza di una giunzione P-N, il campo elettrico creato dal potenziale di giunzione accelera le cariche dando luogo ad una corrente fotoelettrica. Il fenomeno è alla base dei sensori optoelettronici e delle celle fotovoltaiche. Nei primi esso viene sfruttato per tradurre informazioni luminose in informazioni elettriche, mentre nelle seconde si impiega per la produzione di energia elettrica.


Vengono utilizzati per misurare campi magnetici; Un sensore a effetto Hall è costituito da una croce di materiale

conduttivo con quattro terminali;

262

Effetto Hall

Se un campo magnetico è applicato perpendicolarmente ad una superficie conduttrice percorsa da corrente, su di essa si genera un campo elettrico perpendicolare sia alla corrente che al campo. In termini matematici si ha:

Effetti e principi fisiciEffetto Hall Se tra due terminali opposti del sensore fluisce una corrente continua , in

presenza di un campo di induzione magnetica , perpendicolare al sensore stesso, tra gli altri due terminali si sviluppa una differenza di potenziale ;

Questa differenza di potenziale, proporzionale a , e dovuta all’interazione tra e (forza di Lorentz), che devia i portatori di carica;

La tensione risulta data da:

Con e lo spessore del sensore, la carica dell’elettrone, la densità di portatori e è un parametro che dipende dalle caratteristiche geometriche del materiale ( e ), dalla mobilita dei portatori () e dal campo di induzione magnetica ()

263

Effetti e principi fisiciEffetto Hall I sensori ad effetto Hall devono essere letti con strumenti ad alta

impedenza, per evitare assorbimenti di corrente;

Questi sensori sono, spesso, utilizzati insieme a magneti permanenti per effettuare misure indirette di posizione o velocità (encoder magnetici);

In pratica, in questo caso, si rileva il passaggio del magnete permanete sopra un sensore ad effetto Hall;

264


Effetto capacitivo Convertono, generalmente, spostamenti in variazioni di capacità, ma

possono essere usati, indirettamente, anche per misurare accelerazioni (accelerometri e giroscopi), pressione, velocita o forze;

Possiedono svariate forme costruttive; Spesso, in un sensore capacitivo, un’armatura del condensatore è

costituita dal pezzo di cui si vuole misurare lo spostamento; In tal caso, si determina una forza attrattiva fra le armature che, per un

condensatore piano a due armature, vale:

Con V è la tensione applicata alle armature.

265


Effetto capacitivo Si preferisce utilizzare sensori differenziali, per i quali la forza F è

nulla se l’elemento mobile è centrato e minimizzabile senza grosse difficolta per piccoli spostamenti;

267

Dispositivi utilizzati


I sensori di temperatura269

La temperatura termodinamica è un indicatore del grado di energia termica contenuta in un corpo;

La misurazione della temperatura termodinamica si basa sulla scala di temperatura assoluta (Kelvin), che è comunque posta in relazione con altre scale di uso pratico/comune;

La misura di una temperatura comporta sempre un trasferimento di calore dal misurando/processo al sensore.


La propagazione del calore avviene in tre modi differenti e combinati: Conduzione: Per conduzione termica si

intende la trasmissione di calore che avviene in un mezzo solido, liquido o gas all'interno di un corpo solo dalle zone a temperatura maggiore verso quelle con temperatura minore;


Convezione: La convezione è un tipo di trasporto (di materia ed energia), assente nei solidi e trascurabile per i fluidi molto viscosi, causato da un gradiente di pressione e dalla forza di gravità e caratterizzato da moti di circolazione interni al fluido;


Irraggiamento: In termodinamica ed elettromagnetismo, per irraggiamento si intende il trasferimento di energia tra due corpi a mezzo di onde elettromagnetiche; ne sono un esempio i pannelli radianti a infrarossi:


La scelta del sensore richiede di conoscere: specifiche della misura; tempi di risposta; capacità termica, dimensioni, e geometria del sistema e del sensore; errori di approssimazione commessi dal sensore nel

rilevare/trascurare effetti di conduzione, convezione, e irraggiamento;

interazioni del dispositivo con l’ambiente di misura; possibilità di usare la sua uscita per il controllo, la regolazione, e

eventuali altre funzioni richieste; costo, reperibilità e integrabilità del sensore.


Qualitativamente parlando, la temperatura di un oggetto è quella quantità che determina la sensazione di caldo o freddo quando entriamo in contatto con esso. Quando due oggetti sono posti in contatto termico (non necessariamente in contatto fisico) l’oggetto con temperatura più elevata si raffredda, e quello a temperatura più bassa si riscalda sino a quando i due corpi raggiungono l’equilibrio termico.


La temperatura termodinamica indica il grado di agitazione termica (energia termica) di un corpo.

Se uno strumento (termometro) entra in contatto termico con l’oggetto di cui misurare la temperatura,

raggiunto l’equilibrio termico, la temperatura letta dallo strumento è la temperatura

dell’oggetto.

Sensori e Trasduttori: TermometriUn termometro è uno strumento che misura la temperatura, approssimando tale misura ad una legge lineare del tipo:

Le diverse scale di temperatura prendono il nome dallo scienziato che le ha originariamente proposte e definite; le più importanti scale sono: gradi Celsius (centigradi); gradi Kelvin; gradi Fahrenheit.

276

( )G f t at b

°C °F KPunto di bollitura dell’acqua ad 1 atmosfera

100 212373.1

5Punto di solidificazione dell’acqua ad 1 atmosfera

0 32273.1

5

Sensori e Trasduttori: Termometri277

Domanda: perché veniva usato il mercurio nei termometri?

Risposta: il mercurio si trova allo stato liquido nell’intervallo di temperature tra -38°C e +356°C e la sua dilatazione è lineare con la temperaura.

Sensori e Trasduttori: Termometri Lo schema di un termometro (o

termosonda) a resistenza di platino prevede un generatore di corrente costante che alimenta la serie di , e del resistore di platino

Ai morsetti di si preleva la caduta di tensione, che determina la tensione di uscita ;

278

I resistori ed sono inseriti per adattare l’impedenza allo strumento rilevatore, il quale deve avere un’impedenza di ingresso assai elevata.

Sensori e Trasduttori: Termometri In tali condizioni, ad una variazione di temperatura di corrisponde

una variazione della resistenza e, quindi, di ; La resistenza di uscita di questi sensori va da (PT100) a

(PT1000); Il campo di impiego si estende fino a temperature dell’ordine di ; Il platino altamente raffinato è praticamente incontaminabile

chimicamente, è meccanicamente ed elettricamente stabile e presenta un legame lineare , con temperatura assoluta;

Il costo è però pari a ben volte quello di una termocoppia; La lettura in uscita è proporzionale alla temperatura assoluta , per

cui non sono necessarie operazioni di termostazione;

279

Sensori e Trasduttori: Termometri I diodi a semiconduttore

possono essere utilizzati come sensori di temperatura, specialmente all’interno di circuiti integrati;

Al fine di ottenere una caratteristica lineare, si ricorre a circuiti in cui due diodi identici, accoppiati termicamente, vengono polarizzati con correnti diverse ( e );

280

Sensori e Trasduttori: Misure di temperatura

281

La misura di temperatura richiede la trasmissione di una piccola quantità di energia termica dall’oggetto al sensore.

Nei trasduttori elettrici l’energia termica è convertita in un segnale elettrico.


282

Ci sono due modi per procedere nella misura della temperatura: per equilibrio e predittivo. Per equilibrio: la misura (più lenta) è completata

quando non c’è più gradiente termico fra corpo e sensore;

Predittivo: la temperatura del corpo è ricavata attraverso la velocità di variazione della temperatura del sensore senza che il punto di equilibrio sia mai raggiunto.


283

I sensori possono misurare la temperatura di un oggetto per contatto o senza contatto: Per contatto: funzionano per conduzione (o

convezione) termica; Senza contatto: funzionano misurando

l’irraggiamento termico.


284

Nella misura della temperatura per contatto, la quantità di calore ceduto dall’oggetto al sensore (conduzione) è proporzionale alla differenza tra le temperature dell’oggetto e del sensore che vengono a contatto. Pertanto, in un tempo dt si avrà:

Se il sensore ha massa m e calore specifico c, posto che la differenza di temperatura iniziale per t=0 tra oggetto e sensore sia nulla, il calore assorbito dal sensore sarà:

Approssimando a zero la dissipazione verso l’ambiente esterno, si ottiene:

1( )dQ A T T dt

dQ mcdT

1( )A T T dt mcdT

1 T

dT dt

T T

T

mc

A

,

L’equazione differenziale quindi sarà:

Che ha la soluzione nota: 1 0T

t

T T T e


Una breve storia sui sensori di temperatura…


286

La misura di temperatura è tra le più comuni nel campo dell’Automazione. I sensori di temperatura più comuni sono: Termocoppie; Termoresistenza; Termistori: Per questo tipo di sensori è difficile

individuare una caratteristica lineare, il quale diventa spesso un compito assegnato al circuito di interfaccia.

Sensori e Trasduttori: Termocoppie Si basano sull’Effetto Seebeck; la linearità si presenta solo per piccole variazioni di temperatura.

La linearizzazione può essere effettuata mediante tabelle o polinomi interpolanti.

287

Sensori e Trasduttori: Termocoppie Si tratta di un sensore di tipo «auto-eccitante» e può essere

realizzato con diverse coppie di metalli..

288

Termocoppia di tipo K (la più diffusa)

Sensori e Trasduttori: Termocoppie Ad esempio, una termocoppia K a 300°C genera una

tensione di 12.2mV. Per misurare la tensione con una certa precisione non è possibile collegare il voltmetro (o altro) direttamente alla giunzione perché questo contatto genererebbe inevitabilmente un’altra giunzione spuria.

289

Per questo si utilizza una tecnica specifica denominata CJC (Cold Junction Compensation): questa tecnica si basa sul principio che un terzo metallo inserito tra i due metalli disuguali della giunzione di una termocoppia non causerà alcun effetto assunto che le due giunzioni siano alla stessa temperatura (legge dei metalli intermedi). Questa legge consente la realizzazione delle termocoppie: infatti è

possibile saldare due metalli poiché lo stagno non influisce sul valore di tensione (anche se comunque solitamente i due metalli vengono uniti tramite effetto capacitivo).

Sensori e Trasduttori: Termocoppie290

Ci sono diverse soluzioni di realizzazione delle giunzioni dei due metalli: Giunzione esposta: è consigliabile per misurare la temperatura di gas non corrosivi

quando è richiesto un tempo di risposta rapido. La guaina protettiva è sigillata in corrispodenza del punto di uscita della giunzione per impedire all’umidità ed al gas di penetrare all’interno;

Giunzione protetta isoltata: viene utilizzata in ambienti corrosivi o ad alta pressione quando è opportuno mantenere la termocoppia elettricamente isolata dalla guaina. In questo caso la guaina viene utilizzata da schermo;

Giunzione protetta a massa: viene utilizzata (sempre in ambienti corrosivi o ad alta pressione) quando occorre una risposta dinamica più rapida.

Sensori e Trasduttori: Termocoppie Sensori attivi di temperatura; Sono costituite da due fili metallici diversi, saldati insieme ad una

delle estremità; Per effetto termoelettrico, ogni giunzione tra due conduttori

diversi fornisce una forza elettromotrice, che dipende dalla differenza di temperatura tra la giunzione stessa (giunto caldo) e gli altri estremi dei conduttori (giunto freddo).

291

Sigla Giunzione Max Temp di Impiego

T Rame/Costantana 371°C

J Ferro/Costantana 760°C

E Cromo/Costantana

871°C

Sensori e Trasduttori: Termocoppie Assai robusti, di facile installazione e utilizzo; Entro un certo campo di temperatura, la tensione di uscita è

lineare; Il giunto freddo deve essere termostato a 0°C, per avere misure

assolute del dominio della scala centigrada.

292

Sensori e Trasduttori: Termocoppie

I fili di compensazione vengono introdotti qualora la distanza fra il giunto caldo e lo strumento di misura sia apprezzabile e sono realizzati con gli stessi materiali che costituiscono la termocoppia;

Le cause di errore nella forza elettromotrice fornita dalle termocoppie sono fondamentalmente tre: Le modalità di applicazione del giunto caldo all’oggetto del quale si vuole

rilevare la temperatura; La capacità termica del sensore; La trasmissione del calore attraverso i conduttori, per cui la termocoppia

tende a raggiungere l’equilibrio termico con tutto l’ambiente, non con il solo oggetto con cui il giunto caldo e a contatto.

293

Sensori e Trasduttori: Termocoppie

È , quindi, fondamentale scegliere la termocoppia da usare, non solo sulla base della gamma di temperatura, ma anche sulla base del tipo di impiego previsto, che ne determina le dimensioni fisiche, il grado di calibrazione, il tipo di guaina protettiva e le condizioni ambientali d’uso;

Lo strumento di misura deve avere impedenza d’ingresso molto elevata, in quanto la corrente che fluisce nella termocoppia deve essere trascurabile: Sia per evitare cadute di tensione sulla resistenza di uscita della

termocoppia stessa; Sia per evitare di modificare la temperatura del giunto caldo per e

etto;

294

Sensori e Trasduttori: Termocoppie295

Sensori e Trasduttori: Termoresistenza

Viene anche detta Termoresistenza RTD (Resistence Temperature Detector).

Si basa sull’effetto termoresistivo per cui la resistenza di un metallo varia positivamente al variare della temperatura. L’uso di metalli nobili come il Platino, l’Oro ed il Nikel consente di garantire caratteristiche stabili con l’uso e nel tempo. Per migliorare la sensibilità del dispositivo è opportuno usare metalli ad alta resistività e pertanto la scelta si limita pressoché esclusivamente al Platino.

La resistenza varia secondo questa legge:

296

0 (1 )R R T

Sensori e Trasduttori: Termoresistenza

La tecnica più recente di costruzione prevede il deposito di un film di metallo (platino) su un piccolo supporto piatto di ceramica.

Questo garantisce soprattutto un miglior contatto con la superficie di cui rilevare la temperatura. Si tratta di un sensore modulante, dal momento

che la resistenza elettrica non è una grandezza direttamente misurabile; normalmente si inserisce il componente in un circuito

dotato di un generatore di corrente. La variazione di resistenza modula il valore di tensione ai suoi capi.

297

Termistore298

Si basa sempre sull’effetto termoresistivo; Viene però utilizzato un materiale

semiconduttore per cui la resistenza varia (di solito negativamente) al variare della temperatura;

L’uso di semiconduttore consente di ottenere variazioni di resistenza molto significative con la temperatura.

Termistore299

I termistori sono molto simili alle termoresistenze anche se molto più piccoli e parecchio veloci;

Di contro la curva caratteristica è parecchio non lineare; Generalmente vengono prodotti sinterizzando miscele di polveri di ossidi

metallici per ottenere sensori dalla forma opportuna per le varie applicazioni;

Due elettrodi metallici vengono introdotti nelle polveri prima della sinterizzazione che costituiranno i terminali del resistore;

Il processo di sinterizzazione (o metallurgia delle polveri) consiste nella compattazione e trasformazione di materiali ridotti in polveri in un composto indivisibile. Tale trattamento termico viene svolto ad una temperatura inferiore al punto di fusione del materiale.

Gli ossidi usati si comportano da semiconduttori. Opportune sostanze droganti consentono di variare la resistività dei dispositivi.

I Sensori di luminosità300

Con il termine luce si intende comunemente la radiazione elettromagnetica di lunghezza d’onda tra λ = 0.4 μm e λ = 0.8 μm. Questa è la banda dello spettro a cui è sensibile l’occhio umano.

Per trasformare l’energia luminosa in segnale elettrico si usano principalmente due tecniche: Trasformazione dell’energia assorbita in fononi (eccitazioni

del reticolo); Effetto fotoelettrico interno (creazione di coppie elettrone-

lacuna nei semiconduttori).

I sensori di luminosità301

Pertanto è opportuna la seguente distinzione tra: Sensori termici (termopile, cristalli

piroelettrici); Sensori a semiconduttore

(fotoresistenze, fotodiodi, fototransistor).

Fotodiodi302

La cella fotovoltaica o fotodiodo consiste in una giunzione PN, in cui il semiconduttore drogato P ha uno spessore sottile, così da permettere alla luce di penetrare nello strato di svuotamento: qui le coppie create per effetto fotoelettrico generano in un circuito esterno una corrente fotovoltaica.

“Electron energy level diagram illustrating the generation and subsequent separation of an electron-hole pair by photon absorption within the depletion

region of a PN junction.

Fotoresistenza303

Sono costituite da un materiale semiconduttore. Il numero di portatori di carica, e quindi la conducibilità, aumenta in proporzione all’intensità della luce incidente, e la resistenza cala.La misurazione avviene pertanto mediante una variazione di resistenza.

Fotoresistenza304

Quando la superficie del materiale drogato costituente il sensore viene esposta alla luce, l’energia raggiante assorbita provoca la rottura dei legami covalenti creando cariche libere ossia coppie elettrone-lacuna con aumento della conducibilità e diminuzione conseguente della resistenza del fotoresistore, secondo la seguente legge:

R AE

Dove: A è una costante dimensionale; E è l’illuminamento; Α è una costante adimensionale che dipende dalle tecnologie

usate per la costruzione del circuito.

Sensori di accelerazione305

Gli accelerometri si possono basare sull’utilizzo di un cristallo piezoelettrico: l’obiettivo di un accelerometro è quello di fornire un segnale di entità proporzionale all’accelerazione di un corpo in moto.

L’accelerometro misura l’accelerazione applicata ad un oggetto, inclusa la forza di gravità.

Sensore di accelerazione306

Concettualmente, l’accelerazione Ad applicata al sensore viene misurata secondo la seguente formula:

𝐴𝑑=−∑ 𝐹 𝑠/𝑚𝑎𝑠𝑠Dove Fs rappresenta la i-esima forza applicata sul dispositivo; è evidente che la forza di gravità influenza sempre l’accelerazione inflitta al dispositivo, secondo la seguente legge:

𝐴𝑑=−𝑔−∑ 𝐹 𝑠 /𝑚𝑎𝑠𝑠

Accelerometro Android307

Le misurazioni vengono effettuate senza contare la forza di gravità: quando il device sarà appoggiato su di un tavolo, esso

misurerà un’accelerazione di +9.81 m/s2; viceversa, quando il device sarà in caduta libera, esso

misurerà un’accelerazione pari a 0 m/s2.

Per questa ragione, misurare la reale accelerazione a cui è soggetto il device, significa applicare un filtro passa-alto. Viceversa, con un filtro passa-basso è possibile isolare la sola forza di gravità.

Trasduttore di umidità308

Per la realizzazione di trasduttori di umidità si utilizzano sensori capacitivi; ricordiamo che la capacità di un condensatore a facce piane e parallele è:

0 r

SC

d

I trasduttori di umidità rilevano l’umidità relativa, definita come il rapporto tra l’umidità assoluta (quantità di vapore acqueo contenuto in un metro cubo d’aria) e l’umidità di condensazione (quantità di vapore acqueo contenuto in un metro cubo d’aria prima della condensa)

% 100ass

sat

UU

U

Sensori Induttivi

Sono impiegati per misure di spostamento e si basano sulla variazione di induttanza di una bobina, in funzione della riluttanza del circuito magnetico concatenato, o sulla variazione di mutua induttanza fra due circuiti elettrici magneticamente concatenati;

309

Sensori Induttivi

I sensori induttivi vengono impiegati per misure differenziali e sono lineari per piccoli valori di ;

Essi sono frequentemente affetti da tensioni residue nel circuito magnetico, che ne limitano la precisione

Per la lettura dei sensori induttivi occorre utilizzare strumenti sensibili al valore efficace di una tensione sinusoidale, analogici o digitali, con cui si può misurare direttamente la tensione

310

Sensori di deformazione, pressione e forza

311

Quando si applica una forza ad un corpo, quest’ultimo si deforma: questa deformazione è utile misurarla rispetto ad un’unità di grandezza (strain) e viene indicata con il simbolo ε; in particolare tipicamente si “misura” in cm/cm. Il sensore

più utilizzato è l’estensimetro o strain-gage. È evidente che a partire dalla misura della deformazione di

un corpo, si può risalire alla pressione o alla forza esercitate sul corpo stesso.

L

L

Estensimetro312

Si basa sull’effetto piezoresistivo, formando un legame tra la deformazione meccanica e la variazione di resistenza elettrica.

Esistono sostanzialmente due tipi di estensimetri: A semiconduttori; Metallici.

Estensimetro313

Quelli a semiconduttori: Possono raggiungere dimensioni piccolissime; Hanno una grande sensibilità; Hanno una caratteristica non lineare; La resistenza è molto dipendente anche dalla

temperatura; Misurano deformazioni sia statiche che dinamiche; Hanno un elevato costo e pertanto sono utilizzati solo in

situazioni particolari.

Estensimetro314

Quelli metallici: Sono realizzati deponendo su un apposito

supporto (carrier matrix) una griglia fine di fili; Vengono utilizzati incollandoli all’oggetto, con

opportuni adesivi; Ha un costo piuttosto basso; Risente poco della temperatura.

Estensimetri…Quelli metallici Sono costruiti con fili molto sottili di materiale conduttore, con

resistività che, se assoggettati a trazione, aumentano la loro resistenza elettrica;

Il filo viene montato sul supporto ripiegato a griglia, in modo che risulti dalla deformazione contemporanea di più sezioni a ancate di conduttore;

Tipicamente, vengono impiegati materiali conduttori ad alta resistività;

315

Estensimetri Attualmente, l’evoluzione

della tecnologia costruttiva, ha condotto alla quasi completa sostituzione dei fili con delle lamine (fogli di lamierino dello spessore di alcuni micrometri), su cui sono incisi, o fotoincisi, i conduttori estensimetrici;

316

Gli estensimetri a semiconduttore sfruttano fondamentalmente l’effetto delle piezoresistività, poiché essa è accentuata per alcuni semiconduttori drogati;

Estensimetro317

Essendo le variazioni in questione abbastanza limitate, ne consegue che la misura è una fase piuttosto complessa. Solitamente si utilizza una configurazione a ponte di Wheatstone per trasformare la variazione di resistenza in una corrispondente di tensione.

Sensore integrato di pressione

318

Per la realizzazione di un sensore di pressione (integrato) si colloca il circuito di misurazione (sensore ad effetto piezoresistivo incluso) tra i due lati ai quali poter misurare una differenza di pressione, la quale genera una deformazione ad essa proporzionale.

Sensore di forza/peso319

In questo caso si richiede la definizione di un opportuno allestimento meccanico che trasformi la forza in una deformazione corrispondente in una zona del dispositivo dove allocare gli estensimetri. Il principio di funzionamento è più o meno sempre lo stesso, sempre basato sul ponte di Wheatstone.

Esercizi sui sensori320

321

Esercizio 1.Un trasduttore PT100 (termoresistenza) viene utilizzato per misurare una temperatura variabile nel range –20 °C ÷ +130 °C. Calcolare il range della termoresistenza.

321

Materiale Platino

Resistenza R0(0°C) 100Ω±0,1%

Coefficiente di temperatura (α)

3,85·10-3°C-1

Range di funzionamento -50°C÷260°C¿Caratteristica di trasferimento:3

3

( 20 ) 100(1 3.85 10 ( 20))

( 20 ) 100(1 0.077)

( 20 ) 100(0.923) 92.3

(130 ) 100(1 3.85 10 (130))

(130 ) 100(1 0.5)

( 20 ) 100(1.5) 150

T

T

T

T

T

T

R C

R C

R C

R C

R C

R C

PT_100T= –20 °C ÷ +130 °C

RT= 92,3Ω ÷ +150Ω

322

Esercizio 2.Un trasduttore AD590 viene utilizzato per misurare una temperatura variabile nel range 0°C÷70°C. Calcolare il range della corrente erogata dal trasduttore.

322

Caratteristica di trasferimento:

AD_590T= 0 °C ÷ +70 °C I= 273μA ÷ 343 μA

𝐼=𝐾𝑇T: temperatura espressa in K [Kelvin]K: 1μA/K (costante del trasduttore)

Convertiamo [°C] in [K]…

¿𝐼𝑚𝑖𝑛=𝐾𝑇 min=1 ⋅10−6 ⋅273=273𝜇 𝐴𝐼max=𝐾𝑇 max=1 ⋅10− 6⋅343=343𝜇 𝐴

323

Esercizio 3.Un sensore capacitivo di umidità viene utilizzato per misurare un’umidità relativa variabile nel range 20%÷80%. Calcolare il range della capacità.

323

Caratteristica di trasferimento:0 RC C A U

0 130 , 0.41

: _R

C pF A pF

U umidità relativa

min

max

min 0

min

min

min

max 0

max

max

( )

(130 0.41 20)

(130 8.2)

138.2

( )

(130 0.41 80)

(130 32.8)

162.8

R

R

max

C C A U pF

C pF

C pF

C pF

C C A U pF

C pF

C pF

C pF

Sensorse di

umidità

UR=20% ÷80% C= 138,2pF ÷ 162,8pF

324

Esercizio 4.Un trasduttore di pressione differenziale (RS286-709) viene utilizzato per misurare una pressione variabile nel range 0 Psi÷20 Psi. Calcolare il range d’uscita del trasduttore.

324

Struttura a ponte

Compensato in temperatura

Tensione max uscita 100mV

Range di pressione 0 Psi ÷ 30 Psi

Sovrappressione max 60 Psi

Tensione di alimentazione 10 V

Caratteristica di trasf (Sensibilità/Psi) 3,33mV/Psi

𝑃min=0𝑃𝑠𝑖−>𝑉 𝐴 𝐵min=0𝑚𝑉

𝑃max=20𝑃𝑠𝑖−>𝑉 𝐴𝐵max=20 ⋅ 3.33 ⋅10−3=66.6𝑚𝑉

325

Esercizio 5.Calcolare la tensione d’ uscita prodotta da una dinamo tachimetrica sapendo che la costante K è pari a 5mV/r.p.m. quando la velocità è di 120giri/S.

325

Caratteristica di trasferimento:

V: tensione d’uscita della dinamo tachimetricaKt: costante tachimetrica

tV K n

n: rotazioni per minuto (r.p.m)

𝑛=60 ⋅120=7200𝑟𝑝𝑚𝑉=𝐾 𝑡 ⋅𝑛=5 ⋅5 ⋅10− 3=36𝑉

Dinamo120 giri/sec V=36V

326

Esercizio 6.Quale risoluzione (numeri di impulsi per giro) ha un encoder per la misura di posizione di 0.25°? Supponendo che l’encoder sia solidale con un albero di un motore in rotazione alla velocità di 720 r.p.m, calcolare il periodo del segnale rilevato dal fototransistor.

326

_ 360 / 0.25 1440( _ _ _ )

_ _ sec 720 / 60 12

1440 12 17280

1 1 57,817280

numero impulsi impulsi per ogni giro

rotazioni al ondo

frequenza Hz

Periodo sf

327

Esercizio 7.Una termocoppia viene utilizzata per misurare una temperatura variabile nel range 100 °C ÷ +2500 °C. La termocoppia utilizzata presenta le caratteristiche descritte accanto. Si calcoli il range di uscita della termocoppia.

327

Caratteristica di trasferimento: V=KTV: differenza di potenziale in uscita misurata in mVK: coefficiente di proporzionalità pari a 0.1 mV/°CT: temperatura in gradi centigradi

Range di funzionamento termocoppia: 0°C-3000°C

𝑇=100 °𝐶−>𝑉=𝐾𝑇=0.1⋅100=10𝑚𝑉𝑇=2500 °𝐶−>𝑉=𝐾𝑇=0.1 ⋅2500=250𝑚𝑉

Termocoppia

T=100°C-2500°C V=10mV-250mV

GRAZIE PER L’ATTENZIONE




01-Lezione PON CORSO BAITAH Dott. SUMA

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