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Lezione 1
La trasduzione delle
grandezze non elettriche
I parte
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Sommario
•
•
•
•
•
•
il ruolo e gli aspetti metrologici del trasduttore
la criticità del sensore.
le definizioni della Norma UNI 4546
le funzioni ideali di conversione
le interazioni del trasduttore con il mondo esterno
la modellazione del trasduttore
• la caratterizzazione in regime stazionario e dinamico
• il comportamento energetico
• la vita del trasduttore
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dal corso di Misure elettroniche:
Il processo di misurazione
La misurazione
è un processo che mette in
corrispondenza due insiemi:
quello "reale" degli eventi fisici
e quello "astratto" dei numeri
Lo scopo della misurazione:
è quello di fornire una descrizione rigorosa, quindi
non soggettiva, del fenomeno al fine di permettere la
esecuzione di processi decisionali: di regolazione, di
ottimizzazione, di approvazione.
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dal corso di Misure elettroniche:
I Trasduttori e la loro funzione
I trasduttori sono dispositivi
in grado di fornire in uscita
un segnale elettrico il cui
andamento è funzione di
quello di una grandezza
fisica non elettrica presente
all'ingresso.
Grandezza
fisica
Trasduttore
Segnale
elettrico
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dal corso di Misure elettroniche:
Pregi dei segnali elettrici
• amplificabili,
• trasmissibili a distanza,
• registrabili,
• elaborabili.
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Applicazioni dei trasduttori
I trasduttori hanno due principali applicazioni:
• nel processo di misurazione delle caratteristiche di
sistemi (intendendo il termine “sistema” col suo
significato più lato);
• nel controllo dei processi industriali.
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Processo di misurazione
• I trasduttori sono il primo elemento di un processo di
misurazione in cui una “catena” composta da più blocchi
in cascata porta la grandezza fisica di interesse fino ad
uno strumento di misura che le associa un intervallo di
valori.
• Esempi tipici:
– trasduttori usati per il monitoraggio del territorio;
–
“
“
per l’esecuzione di esami clinici;
–
“
“
per le verifiche strutturali.
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“Catena” di misurazione
Grandezza
di interesse
Trasduttore
Condizionatore
Linea di trasmissione
Ricevitore
Condizionatore
Trasmettitore
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“Catena” di misurazione
Grandezza
di interesse
Trasduttore
Condizionatore
Linea di trasmissione
Ricevitore
Condizionatore
Trasmettitore
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Sistema di controllo
• I trasduttori sono l’organo sensoriale del “controllore di
processo” che agisce ad anello chiuso.
• Esempi tipici:
– trasduttori di pressione, temperatura e portata nei
processi chimici;
– trasduttori di lunghezza e di spostamento nei
processi meccanici;
– trasduttori di velocità, quota, angolo di prua e di
attacco nei sistemi di controllo e pilotaggio
automatico degli aerei.
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Controllo di processo
Attuatori
Controllore
di processo
Processo
Trasduttori
Interfaccia
Operatore
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Controllo di processo
Attuatori
Controllore
di processo
Processo
Trasduttori
Interfaccia
Operatore
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Quote di mercato in Italia
8
11
5
6
16
35
20
Pressione
Temperatura
Analisi chim.
Forza
Portata
Livello
altri
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Ruolo del trasduttore
Il ruolo del trasduttore è quello di trasformare la
grandezza oggetto della misurazione -"misurando"in un'altra grandezza fisica, della stessa specie
oppure di specie diversa, più adatta all'elaborazione
che il successivo blocco della catena deve
effettuare.
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il trasduttore e lo spazio dell’informazione
Informazione
Estrazione della informazione
Trasduttore
Misurando
Uscita
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Aspetti metrologici
del ruolo del trasduttore
• Il segnale è una grandezza fisica
alle cui variazioni è associata una informazione
mediante una convenzione nota.
• Sotto l'aspetto metrologico la caratteristica
fondamentale di ciascuno degli elementi della catena
di misura -quindi anche del trasduttore- è quella di
conservare inalterata l'informazione contenuta nel
segnale d'ingresso, restituendola nel segnale d'uscita.
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Trasduttori e “sensori”
dalla Norma UNI-UNIPREA 4546:
• Trasduttore:
« mezzo tecnico che compie
su un segnale d’ingresso una certa elaborazione,
trasformandolo in un segnale d’uscita. »
• Sensore:
« particolare trasduttore
che si trova in diretta interazione
con il sistema misurato. »
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Trasduttori e “sensori”
A volte, per la complessità della trasformazione richiesta,
il trasduttore può essere costituito da più trasduttori elementari
messi l’uno in cascata all’altro: il primo della cascata, quello cioè
che ha in ingresso il misurando, viene chiamato “sensore”.
E
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Trasduttori e “sensori”
A volte, per la complessità della trasformazione richiesta,
il trasduttore può essere costituito da più trasduttori elementari
messi l’uno in cascata all’altro: il primo della cascata, quello cioè
che ha in ingresso il misurando, viene chiamato “sensore”.
Trasduttore
“forza-tensione”
Trasduttore
Trasduttore
“spostamento-tensione”
“forza-spostamento”
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Trasduttori e “sensori”
A volte, per la complessità della trasformazione richiesta,
il trasduttore può essere costituito da più trasduttori elementari
messi l’uno in cascata all’altro: il primo della cascata, quello cioè
che ha in ingresso il misurando, viene chiamato “sensore”.
Sensore
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Criticità del sensore
• il sensore ha un ingresso obbligato, sia come tipo
di grandezza fisica, sia come campo di variabilità.
• Per questo motivo il sensore è il più critico fra gli
elementi della catena
di misurazione in
quanto è il più
condizionato
dalle caratteristiche
del sistema misurato.
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Dalla Norma UNI-UNIPREA 4546:
Campi di variabilità del misurando
• Campo di misura:
« intervallo comprendente i valori di misura che si
possono assegnare mediante un dispositivo per
misurazione e/o regolazione. »
Il campo di misura è l’intervallo entro cui deve
mantenersi il misurando affinché il trasduttore
operi secondo le specifiche.
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Dalla Norma UNI-UNIPREA 4546:
Campi di variabilità del misurando
• Campo di sicurezza:
« intervallo comprendente tutte le misure del
misurando cui un dispositivo per misurazione
può essere applicato senza che
il suo “diagramma di taratura” resti
permanentemente alterato. »
Il campo di sicurezza è l’intervallo entro cui deve
mantenersi il misurando per non provocare danni
permanenti al trasduttore.
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Dalla Norma UNI-UNIPREA 4546:
Campi di variabilità del misurando
• il campo di misura è l’intervallo entro cui deve
mantenersi il misurando affinché il trasduttore operi
secondo le specifiche.
• Il campo di sicurezza è l’intervallo entro cui deve
mantenersi la grandezza di ingresso per non
provocare danni permanenti al trasduttore.
• Il campo di misura
è sempre interno
al campo di sicurezza
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Campi di variabilità del misurando
Tempo di ripristino:
se il misurando,
rimanendo nel
campo di sicurezza,
supera la portata si
può creare un danno
temporaneo che
viene recuperato nel
“tempo di ripristino”
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Campi di variabilità dell’uscita
• Campo di lettura utile: intervallo di valori entro il quale
si trova l’uscita quando la grandezza di ingresso è nel
campo di misura.
• Valori estremi dell’uscita: estremi entro i quali si
mantiene il segnale di uscita se la grandezza di
ingresso non esce dal campo di sicurezza.
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introduzione al
modello matematico del trasduttore
sistema
misurato
x(t)
y(t)
trasduttore
sistema
utilizzatore
nel caso stazionario:
y = fd ( x )
funzione (ideale) di
conversione diretta:
y( t ) = fd ( x( t ))
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la condizione di non distorsione
sistema
misurato
x(t)
y(t)
trasduttore
sistema
utilizzatore
il trasduttore è non distorcente se,
per qualunque t:
y( t ) = A x( t - t )
con A e t costanti
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la condizione di non distorsione
sistema
misurato
x(t)
y(t)
trasduttore
sistema
utilizzatore
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le due funzioni (ideali) di conversione
sistema
misurato
x(t)
y(t)
trasduttore
sistema
utilizzatore
funzione (ideale) di
conversione diretta:
y( t ) = fd ( x( t ))
funzione (ideale) di
conversione inversa:
x( t ) = fi ( y( t ))
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interazioni trasduttore - sistemi esterni
“grandezze di influenza”
Sistema
ambiente
sistema
Sistema
misurato
misurato
x(t)
y(t)
trasduttore
Sistema
ausiliario
sistema
Sistema
utilizzatore
utilizzatore
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modelli matematici generali
modello diretto:
y(t) = fd ( x(t),
gA1 (t), ..., gAi (t), gS1 , ..., gSj ,
gU1 , ..., gUl , gM1 , ..., gMk )
il modello diretto è dotato di univocità e di
un’impostazione “causale” (cause-effetto)
sfortunatamente ci interessa x(t) e non y(t)
!!!
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modelli matematici generali
modello inverso
x(t) = fi ( y(t),
gA1 (t), ..., gAi (t), gS1 , ..., gSj ,
gU1 , ..., gUl , gM1 , ..., gMk )
nel modello inverso viene meno l’impostazione
“causale” e non è garantita la univocità
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modello matematico semplificato
se
x è indipendente da tutte le g nel determinare
l’uscita y:
y(t) = fx(x(t))
+ f1 ( x(t), gA1(t) , ..., gAi(t) ,
gS1 , ..., gSj ,
gU1 , ..., gUl ,
gM1 , ..., gMk )
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modello matematico semplificato
g sono indipendenti da x nel
determinare l’uscita y:
se poi tutte le
y(t) = fx(x(t))
+ f2 (gA1(t) , ..., gAi(t) ,
gS1 , ..., gSj ,
gU1 , ..., gUl ,
gM1 , ..., gMk )
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modello matematico semplificato
se infine tutte le
g sono indipendenti l’una
dall’altra nel determinare l’uscita y:
y(t) = fx (x(t)) +
+ fA1(gA1(t) )+ ... + fAi(gAi(t) ) +
+ fS1(gS1 ) + ... + fSj(gSj ) +
+ fU1(gU1 ) + ... + fUl(gUl ) +
+ fM1(gM1 ) + ... + fMk(gMk )
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le “funzioni di influenza”
Le funzioni di singola variabile
fij(gij(t) )
che esprimono il contributo che ciascuna
grandezza di influenza dà al segnale di uscita
y(t)
sono chiamate: funzioni di influenza
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Nella prossima puntata...
• la caratterizzazione in regime stazionario
– diagramma di taratura, fascia di valore, curva di taratura
– linearità, sensibilità, stabilità, isteresi
•
la caratterizzazione in regime dinamico
– risposta al gradino
– risposta in frequenza
• il comportamento energetico:
– trasduttori attivi
– trasduttori passivi
• la vita del trasduttore