Laboratorio on-line
Cos’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
• PSTD
• LabTec
• Remotelab
Scienza e Tecnologia
Progetto Sviluppo Tecnologie
Didattiche
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
• Analisi di modello teorico
• Non si analizza un
comportamento reale
• Sistema di misura
simulato
Esperimento reale
Supporto didattico
Perché
Quattro fasi fondamentali:
Vantaggi:
più tempo per la didattica e la discussione
critica delle fasi elencate
•
•
•
•
•
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.
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 PRONTEZZA
La 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 RISOLUZIONE
La 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 SCALA
Il 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 PRECISIONE
Come 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 e
controllo. L’uso di questi dispositivi in diversi campi dell’ingegneria ha
contribuito a creare ambiguità ed equivoci sulle definizioni nonché la tendenza
a coniare nuove parole per indicare uno stesso dispositivo (trasmettitore,
modificatore, convertitore, rivelatore, gauge, cella, ecc.) producendo una
notevole confusione terminologica.
Le grandezze fisiche da rilevare possono essere di
varia natura; generalmente queste quantità sono difficili
da trasmettere e da
elaborare 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 da
una 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 artificiali
Sono 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.
Condizionamento dei segnali
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
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 dispositivo
DAQ, un cambiamento di un grado o due in temperatura potrebbe non
essere 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 rumore
che 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 segnali
Avviene 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 DAQ
Un tipico sistema DAQ ha tre componenti hardware fondamentali:
una
morsettiera, un cavo e un dispositivo DAQ.
Morsettiera e cavi
Una morsettiera fornisce un posto per collegare
i segnali.
Componenti di un dispositivo DAQ
La figura seguente mostra i componenti di un
dispositivo DAQ.