Sistemi Automatici di Misura - Docente.unicas.it - Università degli ...

Sensori e TrasduttoriIl 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 unsegnale elettrico misurabile in risposta ad uno specificomisurando.Un trasduttore è un sensore ma un sensore non ènecessariamente un trasduttore5Sensori e TrasduttoriSe il sensore non è un trasduttore può essere chiamato corpodi prova e richiedere in cascata un trasduttoremisurandoprimarioSensore(corpo di prova)misurandosecondarioTrasduttoresegnaleelettrico63

Le interazioni nei sensoriSistemaambienteSistemamisuratox(t)Sensoretrasduttorey(t)SistemautilizzatoreGrandezze di influenza:• dal sistema misuratoSistemaausiliario• dal sistema utilizzatore• dal sistema ausiliario• dall’ambienteIl Tempo7Trasduttori attivi e passiviUn trasduttore può essere attivo o passivo:• Attivo se l’effetto fisico su cui è basato assicura la trasformazione inenergia elettrica dell’energia propria del misurando (termica,meccanica, d’irraggiamento, …).Esempi: Termoelettrico (termocoppia), Piroelettrico (cristalli la cuipolarizzazione dipende dalla temperatura), …• Passivo se l’effetto del misurando si traduce in una variazioned’impedenza dell’elemento sensibile.Esempi: estensimetri, magnetici, …84

ARCHITTETTURE DI SISTEMI AUTOMATICI DIMISURA.Parti costituenti un generico sistema automatico di misuraSISTEMA DICONDIZIONAMENTOFunzione: provvede a modificare le caratteristiche dei segnale elettriciprovenienti dal sensore in modo che siano ottimizzate per l’utilizzo neisistemi successiviSISTEMA DI CONDIZIONAMENTOAttenuatoriAmpFILTRILP HP BPConvertitori(V/T;V/F)11Circuiti di condizionamentoUn trasduttore è completato dal circuito dicondizionamento.Trasduttore passivo: il circuito di condizionamento èindispensabile per la generazione del segnale elettrico(montaggio).Trasduttore attivo: il circuito di condizionamento ha ilcompito di adattare i parametri dell’energia elettrica,generata dal trasduttore, alle caratteristiche d’ingresso delsistema di misura (condizionamento del segnale).126

Tipi di condizionamento13ARCHITTETTURE DI SISTEMI AUTOMATICI DIMISURA.Parti costituenti un generico sistema automatico di misuraSISTEMA DICONVERSIONEFunzione: provvede a trasformare la natura dell'informazione daanalogica a numerica, in modo che possa essere opportunamenteelaborata.SISTEMA DICONVERSIONES/HA/D147

La conversione A/DPrima di poter essere elaborati da un personal computer i segnali dimisura debbono essere convertiti in forma numerica.Il problema: trasformare un segnale analogico in un flussonumerico di dati senza perdita di informazioneIl dispositivo che effettua questa operazione è l’unità di conversioneo Convertitore Analogico Digitale (ADC); esso realizza le fasi di:- campionamento- quantizzazione15La conversione A/DSegnali analogiciUn segnale analogico può essererappresentato mediante una funzione deltempo che gode delle seguenti caratteristiche:1) la funzione è definita per ogni valore deltempo (è cioè continua nel dominio)2) la funzione è continua.Segnali digitaliA differenza del segnale analogico quellodigitale è rappresentato da una funzione"tempo discreta" e "quantizzata".Tale funzione risulta pertanto:1) definita solamente in un insiemenumerabile di istanti "equispaziati"2) dotata di un codominio costituito da uninsieme discreto di valori.168

Il campionamentos(t)tIl segnale s(t) è un segnale continuo nel tempo e nelle ampiezze. Cioè qualsiasisia l’intervallo di osservazione tale segnale è sempre rappresentato da un numeroinfinito di punti.Quando si effettua un campionamento quello che si cerca di fare e dirappresentare lo stesso segnale con un numero finito di punti.s(n)n17Il campionamentos(n)nIl problema fondamentale dell’elaborazione numerica di segnali è stabilire se ecome una sequenza, ottenuta dal campionamento di un segnale tempo continuo,contiene le stesse informazioni del segnale di partenza.Bisogna, cioè, verificare se il contenuto informativo associato al segnale neldominio del tempo continuo si mantiene inalterato attraverso l’operazione dicampionamento, ovvero se è possibile estrarre dal segnale ottenuto nel dominiodel tempo discreto le stesse informazioni associate al segnale nel dominio deltempo continuo.189

Il campionamentoSe così non fosse, possono verificarsi due anomalie:• alterazione del contenuto informativo;• aggiunta di informazioni ridondanti.Per superare tali problemi viene in aiuto un importantissimoteorema detto “del campionamento” od anche “Teorema diShannon”.Questo teorema garantisce che se il segnale di partenza ha spettrolimitato alla frequenza f 0 , cioè se la massima frequenza presentenel segnale da campionare è f 0 , allora la sequenza campionatacontiene le stesse informazioni del segnale di partenza se lafrequenza f C di campionamento è tale che sia:f C > 2 f 02019Il campionamentoTale frequenza di campionamento dovrà allora essere consideratacome la minima frequenza per cui è possibile estrarre dal segnalecampionato s(n) le stesse informazioni presenti nel segnaleanalogico (continuo) s(t).Se tale condizione non è verificata, ovvero se esistono componentispettrali nel segnale da misurare di frequenza maggiore di f C /2, siintroduce un fenomeno di distorsione del segnale acquisitochiamato aliasing.Tale fenomeno fa apparire nello spettro del segnale campionatocomponenti spettrali che non sono presenti nel segnale reale.10

Il campionamentoEsempio di aliasing (nel dominio del tempo)21Il campionamentoUno dei parametri più importanti di un sistema di conversione A/D è la velocità con cui ildispositivo ADC campiona un segnale in arrivo.La frequenza di campionamento determina ogni quanto tempo ha luogo una conversioneanalogico-digitale (A/D). A parità di intervallo di tempo di analisi, un’elevata frequenza dicampionamento consente di acquisire più punti e può fornire una rappresentazione più fedele delsegnale originale rispetto a quella ottenibile con una bassa frequenza di campionamento.Campionare troppo lentamente può causare una rappresentazione incompleta delsegnale analogico.L’effetto . di uncampionamento a frequenzanon idonea è che il segnaleappare come se avesse unafrequenza differente daquella effettiva (aliasing).2211

La quantizzazioneUna volta ottenuta la sequenza temporale dei campioni del segnaleanalogico, è necessario che si proceda all’associazione fra talicampioni ed il “valore” degli stessi, onde ottenere la sequenzanumerica necessaria per il sistema di controllo.Tale associazione avviene mediante una operazione detta“quantizzazione”.La quantizzazione associa ad ogni campione discreto del segnalemisurato la sua rappresentazione numerica, in una scala prefissata enormalmente legata alla dinamica del segnale incognito.Tale operazione viene eseguita dal quantizzatore (convertitore)A/D.25La conversione A/DPregi del segnale digitaleI segnali digitali hanno una maggiore reiezione ai disturbi rispetto aisegnali analogici.I segnali analogici sono costituiti da funzioni continue pertanto possono assumere infiniti valori: il rumoreche inevitabilmente si sovrappone al segnale ha pertanto la possibilità di determinare una variazione delvalore del segnale composto (segnale utile + rumore) qualunque sia la ampiezza e la potenza del rumore.I segnali digitali, invece, presentano solamente un numero finito di valori separati da una fascia "proibita".Se il rumore non ha ampiezza (e potenza) tale da determinare un superamento della fascia proibita chesepara due valori contigui non si riscontra alcuna alterazione del valore.I segnali digitali possono essere elaborati più facilmente dei segnalianalogiciPer elaborare matematicamente i segnali analogici si deve ricorrere agli amplificatori operazionalimediante i quale è possibile realizzare (in modo a volte molto approssimato) semplici operazioni (somma,sottrazione, logaritmo ed esponenziale, integrale e derivata rispetto al tempo, ecc.). La realizzazione difunzioni più "elaborate" può richiedere una complessità circuitale eccessiva e tale da introdurre unaincertezza non accettabile per gli scopi prefissati.2613

La conversione A/DPregi del segnale digitaleI segnali numerici possono invece essere elaborati mediantemicroprocessorii quali possono permettere la esecuzione di operazioni ed elaborazioni senza richiedere appesantimentidell'hardware circuitale. Anche in questo caso, però, le operazioni non sono esenti da incertezza: itroncamenti e le approssimazioni introdotte dalla codifica utilizzata dal microprocessore per il trattamentodei dati sono infatti fonte di incertezza, ma si può ricorrere a codifiche (intero, reale a singola o doppiaprecisione, ecc.) tali da ridurre le incertezze introdotte in modo da renderle compatibili con gli scopiprefissati.I segnali digitali possono essere registrati in maniera più fedele estabile dei segnali analogiciPer registrare un segnale analogico si può fare uso di nastri magnetici entro cui il segnale viene registrato:le prestazioni delle tecniche di registrazione meno sofisticate vengono penalizzate dal fenomeno dellasmagnetizzazione del nastro registrato. Ricorrendo all'uso di memorie RAM oppure di dispositivi di memoriadi massa a supporto magnetico (hard e floppy-disk) è possibile invece registrare i segnali digitali conestrema facilità. In questo caso, poi, la codifica usata è quella binaria e la presenza di una ampia fascia diseparazione fra il livello considerato 0 e quello considerato 1 permette di garantire una stabilità del dato neltempo e la sua reiezione pressoché totale ai disturbi.27ARCHITTETTURE DI SISTEMI AUTOMATICI DIMISURAParti costituenti un generico sistema automatico di misuraSISTEMA DICONTROLLOFunzione: provvede a memorizzare od elaborare l'informazione numericaottenuta dal sistema precedente secondo una prefissata sequenza dioperazioni registrata in un opportuno programma; tale sistema dicontrollo può essere, inoltre, a sua volta collegato con un sistema diattuatori.SISTEMA DI CONTROLLOPC PLC DSP μC2814

I SISTEMI DI CONTROLLO29SISTEMA AUTOMATICO PER LA MISURA DIUN’UNICA GRANDEZZA FISICAgrandezzafisicaASENSOREBSISTEMA DICONDIZIONAMENTOCSISTEMA DICONVERSIONEDSISTEMA DICONTROLLOCOLLEGAMENTIA. Il collegamento fra la grandezza fisica ed il sensore è di tipo generalmente connesso alla naturadella grandezza fisica d'interesse e di lunghezza praticamente nulla: la grandezza fisica agiscedirettamente sul sensore.B,C. sono generalmente di natura analogica. Per il collegamento B, il canale di trasmissione ègeneralmente di natura elettrica e consiste, materialmente, in conduttori stesi fra il sensore ed ilsistema di condizionamento. In casi particolari, quali sistemi di misura impiegati in ambienti conparticolari requisiti di sicurezza o in ambienti con stringenti requisiti di immunità ai disturbi dinatura elettromagnetica (EMC), il collegamento B può essere realizzato con canali di trasmissionedi natura ottica (fibre ottiche) o pneumatica, con l'interposizione di opportuni dispositivi(interfacce) atti a trasformare il segnale proveniente dal sensore rispettivamente in un fascio diluce modulata o in una variazione di pressione di un gas, e viceversa. Il collegamento C, invece, ègeneralmente di natura elettrica (cavi direttamente collegati fra il sistema di condizionamento ed ilsistema di conversione) o di natura elettromagnetica (onde convogliate che sfruttano il supportodella rete di alimentazione elettrica, sistemi di trasmissione basati su linee telefoniche,collegamenti realizzati mediante trasmissione di segnali radio).D. è di tipo digitale. Generalmente tale collegamento non crea problemi riguardo le interferenze,mentre possono nascere problemi riguardanti l'attenuazione dei segnali.3015

SISTEMI AUTOMATICI PER LA MISURA DIPIU’ GRANDEZZE FISICHESoluzione 1:Sistema ad N pre-amplificatori ed 1 sistema di conversione31SISTEMI AUTOMATICI PER LA MISURA DIPIU’ GRANDEZZE FISICHESoluzione 1: Sistema ad Npre-amplificatori ed 1sistema di conversioneVANTAGGISistema di conversione unicoOgni canale è adattato alrelativo sensoreSVANTAGGIN attenuatori – pre-amplificatoriMultiplexer: campionamento noncontemporaneo3216

SISTEMI AUTOMATICI PER LA MISURA DIPIU’ GRANDEZZE FISICHESoluzione 2: Sistema ad 1 amplificatore controllato ed 1 sistema di conversione33SISTEMI AUTOMATICI PER LA MISURA DIPIU’ GRANDEZZE FISICHESoluzione 2: Sistema ad 1amplificatore controllato ed1 sistema di conversioneVANTAGGI Sistema di conversioneunico Un unico amplificatorecontrollato N attenuatoriSVANTAGGI Multiplexer: campionamentonon contemporaneo Maggiore costo del sistema dicontrollo (deve anche selezionareil guadagno)3417

SISTEMI AUTOMATICI PER LA MISURA DIPIU’ GRANDEZZE FISICHESoluzione 3: Sistema ad N converitori e multiplexer digitale35SISTEMI AUTOMATICI PER LA MISURA DIPIU’ GRANDEZZE FISICHESoluzione 3: Sistema ad Nconvertitori e multiplexerdigitaleVANTAGGI Sistema dicondizionamento econversione adattato perogni canale CampionamentosincronizzatoSVANTAGGI N attenuatori-amplificatori N convertitori Maggiore costo del sistema dicontrollo (Mux digitale)3618