Laboratorio on-lineCos’è – Perché –

Elementi fondamentali

Cos’è

Negli ultimi anni lo sviluppo della tecnologia a basso

costo

Presenza nei laboratori di apparecchi on-line

cioè

• Sistemi di acquisizione dati gestiti con il computer

Diverse iniziative intraprese dal ministero e dalla CEE

• SeT Scienza e Tecnologia

• PSTD Progetto Sviluppo Tecnologie

Didattiche

• LabTec

• Remotelab

Laboratorio on-line:

• Utilizzo del computer per acquisizione ed elaborazione dei dati sperimentali forniti da opportuni strumenti di misura.

Rispetto al laboratorio tradizionale

uso del computer

Errore comune

Laboratorio on-line = Laboratorio virtuale

• Analisi di sistemi reali

• Condizioni al contorno reali

• Sistema di misura molto sensibile

Esperimento reale

• Analisi di modello teorico

• Non si analizza un comportamento reale

• Sistema di misura simulato

Supporto didattico

PerchéQuattro fasi fondamentali:

• Rilevazione di molti dati in tempi brevi.

• Rilevazione di dati da strumenti diversi.

• Rilevazione dati per lunghi periodi di tempo

• Grafici in tempo reale.

• Riduzione dei tempi sperimentali.

Vantaggi: più tempo per la didattica e la discussione

critica delle fasi elencate

Tutto ciò libera più tempo per (obiettivi didattici):

• Analizzare ed interpretare grafici.• Ruolo del fitting dei dati.• Gestione dei dati sperimentali per un confronto

con un modello teorico.• Ruolo degli errori casuali e sistematici.• Saper eseguire una stima degli errori sperimentali.• Valutare la precisione di una misura.• Formulare e verificare ipotesi.

Non trascurabile:

• Tecnologia dominante sia in ambito industriale che di ricerca.

• Un tecnico o un ricercatore si deve confrontare con dispositivi gestiti a distanza da un computer.

• Interpretazione e lettura di dati e grafici.

Si possono avere due casi: • Uscita analogica • Uscita digitale

Necessità di un convertitore analogico-digitale

Il sistema di acquisizione dati è composto da 6 blocchi essenziali :

I dati acquisiti tipicamente vengono trattati, cioè analizzati, miscelati, memorizzati, visualizzati mediante software specializzato che lavora in elaboratori di processo e in personal computer di servizio.Un produttore noto per i sistemi di controllo interattivo e del relativo

software di processo è PowerLab. EPICS è usato per sviluppare sistemi di aquisizione di dati di grande

scala. Si possono anche sviluppare sistemi ad hoc usando un linguaggio di

programmazione come experix, LabVIEW, VisualBasic, o C.

LE CARATTERISTICHE DEGLI STRUMENTI DI MISURA

- Ripetibilità - Prontezza

- Sensibilità - Risoluzione - Fondo scala

- Precisione

Oltre a queste esistono altri fattori tra cui il costo, l'ingombro e il peso che contraddistinguono lo strumento: si noti peraltro che le varie caratteristiche non sono indipendenti l'una dall'altra, ma costituiscono il risultato di un compromesso che si raggiunge all'atto della progettazione.Come esempio si consideri il fatto che il costo di uno strumento può salire notevolmente all'aumentare dell'intervallo di funzionamento e non è detto che le due grandezze, costo e intervallo di funzionamento, siano correlate linearmente: anzi molto spesso ad un piccolo ampliamento delle caratteristiche (precisione, intervallo di funzionamento e così via) corrisponde, in proporzione, un aumento dei costi ben superiore ai miglioramenti apportati.

LA RIPETIBILITA`Con il termine ripetibilità si intende la capacità dello strumento di

fornire misure uguali della stessa grandezza entro la sua risoluzione, anche in condizioni di lavoro difficili o variabili (vibrazioni, sbalzi di

temperatura, ...). In pratica lo strumento deve risultare ben isolato rispetto agli effetti dell'ambiente esterno, escluso ovviamente l'effetto

dovuto alla grandezza in esame.

La ripetibilità implica anche una buona affidabilità intesa come robustezza di funzionamento nel tempo: questa peculiarità viene espressa come vita media o come tempo medio statisticamente

prevedibile fra due guasti successivi in condizioni normali di utilizzo.

LA PRONTEZZALa prontezza è una caratteristica dello strumento legata al tempo necessario affinchè

questo risponda ad una variazione della grandezza in esame. Per alcuni, quanto minore è questo tempo, detto tempo caratteristico, tanto maggiore è la prontezza, mentre per altri

la prontezza è rappresentata dal tempo impegato dallo strumento per dare la risposta, cioè il risultato.

In generale la prontezza rappresenta la rapidità con cui è lo strumento è in grado di fornire il risultato di una misura.

Per chiarire quanto detto finora vediamo un esempio: consideriamo un termometro a mercurio, quello che si può trovare in un comune laboratorio, che sia inizialmente alla

temperatura ambiente di 20oC.Se ora lo immergiamo in un bagno di liquido alla temperatura di 120oC osserviamo che il mercurio comincia a salire lungo la scala prima velocemente poi più lentamente fino ad

arrivare al valore di temperatura corrispondente: approssimativamente il tempo impiegato affinchè il mercurio raggiunga la posizione relativa alla temperatura misurata

è dell'ordine di qualche decina di secondi (diciamo 40).

Questo intervallo di tempo ci da un'indicazione sulla prontezza dello strumento: in particolare se andiamo ad osservare l'andamento della temperatura misurata graficata rispetto al tempo, il fenomeno descritto appare ancora più chiaro.                                                             

C'è anche chi definisce la prontezza come il tempo impiegato dall'indice dello strumento (nel nostro caso il livello della colonnina di mercurio) ad effettuare il 63.2 % dell'escursione che esso deve compiere, partendo dalla posizione iniziale di riposo fino a raggiungere il valore effettivo della grandezza: tale tempo è definito come coefficiente di ritardo.Attraverso questa definizione si potrebbe avere un coefficiente di ritardo variabile con il valore della grandezza applicata: per ovviare a questo inconveniente occorre fissare un valore di riferimento della grandezza.

LA SENSIBILITA`

La sensibilità di uno strumento è costituita dalla più piccola grandezza in grado di generare uno spostamento apprezzabile rispetto all'inizio della scala dello strumento.

Così definita, la sensibilità determina il limite inferiore del campo di misura dello strumento, mentre il limite superiore è dato dal fondo scala: i due determinano insieme

l’intervallo di funzionamento

Esiste anche una definizione più raffinata di quella presentata, anche se concettualmente sono del tutto equivalenti.

LA RISOLUZIONELa risoluzione di uno strumento rappresenta la minima variazione apprezzabile della

grandezza in esame attraverso tutto il campo di misura: essa rappresenta il valore dell'ultima cifra significativa ottenibile.

Per cui se la scala dello strumento parte da zero ed è lineare la risoluzione è costante lungo tutto il campo di misura e risulta numericamente uguale alla sensibilità.

Si osservi che non sempre sensibilità e risoluzione coincidono: la loro differenza risiede nella definizione delle due grandezze. Infatti la sensibilità è relativa all'inizio del campo di misura, mentre la risoluzione è considerata sull'intero campo di misura

dello strumento.

IL FONDO SCALAIl fondo scala rappresenta il limite superiore del campo di misura e prende anche il nome di portata dello strumento: insieme alla sensibilità ne delimita l’intervallo di

funzionamento

LA PRECISIONECome abbiamo già detto, ad ogni misura è associata inevitabilmente una incertezza.

Evidentemente più piccola è l'incertezza associata alla misura, migliore sarà la misura.

Ma cosa significa "più piccola"? Vediamo di chiarire questo punto. Quando noi forniamo un risultato, lo dobbiamo sempre corredare, oltre che del valore della misura, anche dell'errore associato: tale errore è detto

errore assoluto e rappresenta l'intervallo di indeterminazione entro il quale si suppone che il risultato sia compreso. Se ora cosideriamo il rapporto tra l'errore assoluto e il risultato stesso

otteniamo una grandezza adimensionale (un numero, privo cioè di unità di misura), molto

utile nell'analisi degli errori, che prende il nome di precisione o errore relativo. A questo punto appare evidente che la misura con l'errore relativo minore è quella più

precisa: si noti bene che si è parlato di errore relativo e non assoluto. Infatti si consideri il seguente esempio: siano date due misure nel modo seguente

A=(10 ± 1) Kg ; B=(100 ± 1) Kg

Entrambe hanno lo stesso errore assoluto ( A= B=1 Kg), mentre hanno differenti errori relativi.Ora, mentre nella prima misura abbiamo un errore di una unità su dieci, nella

seconda abbiamo un errore di una sola unità su cento: si è allora soliti dire che la prima è una misura precisa al 10%, mentre la seconda precisa al 1%. Precisioni di questo ordine di

grandezza sono molto simili a quelle che si possono ottenere in un laboratorio di fisica o di chimica

COMPONENTI FONDAMENTALI DI UN SISTEMA DAQ

I componenti base dei sistemi di acquisizione di dati sono i sensori (trasduttori).

Le parole sensore (più usata negli USA) e trasduttore (più comune in Europa)sono entrambe molto utilizzate nella descrizione dei sistemi di misura econtrollo. L’uso di questi dispositivi in diversi campi dell’ingegneria hacontribuito a creare ambiguità ed equivoci sulle definizioni nonché la tendenzaa coniare nuove parole per indicare uno stesso dispositivo (trasmettitore,modificatore, convertitore, rivelatore, gauge, cella, ecc.) producendo unanotevole confusione terminologica.

Le grandezze fisiche da rilevare possono essere divaria natura; generalmente queste quantità sono difficili

da trasmettere e daelaborare nella loro forma originaria.

Di conseguenza, l’obiettivo fondamentale di un sensore/trasduttore è quello

di convertire una grandezza fisica in ingresso in un’altra grandezza più facile

da manipolare.Una peculiarità del processo di trasduzione è la

conversione dell’energia dauna forma (in ingresso) ad un’altra (in uscita).

Definizioni

• sensore: dispositivo sensibile ad una grandezza fisica ed in grado di trasformarla in un segnale misurabile

• Trasduttore: dispositivo che converte energia da un sistema ad un altro nella stessa forma o in forma differente

• A volte nessuna reale distinzione fra il termine sensore e il termine trasduttore.

Alcuni trasduttori sono reversibili, cioè possono funzionare come sensori o come attuatori ( capace di produrre un effetto fisico quando gli venga fornito

un segnale elettrico).

  Sensori di Temperatura

I sensori di temperatura si distinguono in:1.resistivi (RDT) (metallici o a semiconduttore) 2.a diodo 3.termocoppie.

Sensore di Pressione

Un sensore di pressione è un sensore di forza che misura la forza prodotta dalle collisioni delle molecole di un gas contro il supporto sensibile.

 Sensori di Luce

I sensori di luce sono oggetti che, quando stimolati dalla radiazione luminosa, forniscono una risposta di varia natura, avente un'ampiezza dipendente dal tipo e dall'intensità di luce che li colpisce. Esistono:

sensori di luce "naturali"sono organi presenti negli esseri viventi che trasformano i segnali luminosi in segnali biochimici. L‘occhio appartiene a questa categoria, è sensibile alle radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d'onda compresa tra: 380 nm (limite dell'ultravioletto) e 780 nm (limite dell'infrarosso). Sensori artificialiSono strumenti prodotti dall'uomo capaci di convertire la radiazione luminosa ricevuta in segnali elettrici. Ciascun tipo di sensore compie le sue funzioni in un intervallo di lunghezze d'onda ben definito, detto campo di sensibilità e fornito dal costruttore con le specifiche tecniche.

Non sempre si può collegare direttamente il segnale ad un dispositivo

DAQ. Si ha bisogno di modificare il segnale per renderlo adatto alla misura da parte di un dispositivo DAQ.

Il condizionamento dei segnali è una delle tecnologie più importanti nel sistema di misura e di automazione. Esso fornisce l’interfaccia tra i segnali/sensori e il sistema di misura.

Condizionamento dei segnali

Condizionamento dei segnali

La maggior parte dei trasduttori ha bisogno di hardware esterno per svolgere il proprio lavoro. Per esempio, rilevatori di temperatura a resistenza necessitano di una corrente di eccitazione.

Oltre all’hardware esterno necessario, non tutti i trasduttori producono una tensione perfetta per la misura da parte di un dispositivo DAQ. Il segnale dal trasduttore potrebbe essere troppo rumoroso, troppo piccolo o troppo grande per la portata del dispositivo DAQ. Termocoppie e microfoni producono tutti un segnale di tensione dell’ordine dei millivolt, rendendo difficile rilevare i cambiamenti. La maggior parte dei trasduttori necessita di un condizionamento dei segnali per fornire una corrente di eccitazione o per trasformare il segnale in uno che possa essere facilmente misurato da un dispositivo DAQ.

Un esempio di Condizionamento dei segnali

• Amplificazione L’amplificazione è un modo di aumentare un segnale troppo piccolo perché

possa essere misurato accuratamente da un dispositivo DAQ. Un esempio comune è il segnale che proviene da una termocoppia, che genera una tensione dell’ordine dei millivolt.

Se si invia il segnale direttamente da una termocoppia ad un dispositivoDAQ, un cambiamento di un grado o due in temperatura potrebbe nonessere rilevato dal sistema. Tuttavia, se si amplifica il segnale, si ha un

segnale che meglio si adatta alla portata del dispositivo DAQ. Si può amplificare il segnale sia sul dispositivo DAQ che esternamente.

Amplificando il segnale sul dispositivo DAQ si amplifica anche il rumoreche il segnale ha rilevato sul suo percorso verso il dispositivo DAQ. Per

minimizzare la quantità di rumore che viene amplificata, si dispone l’amplificatore il più vicino possibile alla sorgente del segnale.

L’amplificazione esterna è di solito un’alternativa migliore. I vantaggi di un’amplificazione esterna si misurano con un indice chiamato

rapporto segnale-rumore (SNR).

L’SNR è una misura di quanto rumore esiste in un segnale rispetto al segnale stesso. Viene definito come il livello di tensione del segnale diviso per il livello di tensione del rumore. Più grande è l’SNR e meglio è.

Come mostrato nella tabella seguente, l’SNR è migliore quando il segnale viene amplificato solo esternamente e peggiore quando il segnale viene amplificato solo sul dispositivo DAQ.

Condizionamento dei segnaliAvviene tramite il blocco S/H (Sample and Hold),

campionamento e tenuta.

Funziona come un interruttore comandato da un segnale di frequenza: quando l’interruttore è chiuso il condensatore interno si carica ed il segnale passa (sample) mentre se

l’interruttore è aperto, il condensatore si scarica mantenendo lo stato precedente (hold).

Il condizionamento dei segnali rende più facile la misura dei segnali da parte di un dispositivo DAQ.

Panoramica sull’hardware DAQUn tipico sistema DAQ ha tre componenti hardware fondamentali: una

morsettiera, un cavo e un dispositivo DAQ.

Morsettiera e caviUna morsettiera fornisce un posto per collegare i

segnali.

Componenti di un dispositivo DAQLa figura seguente mostra i componenti di un dispositivo DAQ.