Appunti Automatic Measurement system and sensors

Cosa è un sistema di misurazione automatica (AMS)?

Un sistema di misurazione automatica (AMS) è un sistema che consiste di componenti hardware e software, in cui il processo di misurazione viene eseguito automaticamente. I dati di misurazione sono resi disponibili in forma numerica per essere processati, memorizzati e trasmessi in maniera remota.

Perché si usa un AMS?

Un AMS viene utilizzato per:

• Eseguire automaticamente misurazioni ripetute e complesse, sostituendo l’operatore;
• Monitorare lo stato di un sistema/impianto complesso;
• Azionare un telecomando, dove il controllore e il sistema/impianto sono separati (per esempio un sistema complesso di larga dimensione).

La disponibilità di misure (in tempo reale o in ritardo) è molto importante dal punto di vista del controllo, poiché le misurazioni forniscono informazioni sullo stato del sistema. Le misurazioni con i tradizionali strumenti di misura (oscilloscopi, multimetri e altri...), hanno una serie di problemi e AMS può risolvere tali problemi.

Vantaggi e svantaggi di AMS

Vantaggi AMS: Affidabilità, tempi di risposta e costi migliori.

Svantaggi AMS: Incapacità di acquisire esperienza e gestire situazioni inaspettate.

AMS - Acquisizione dati (e controllo)

L’acquisizione dati è il processo con cui i fenomeni fisici (quantità) sono trasformati in segnali elettrici che sono a loro volta convertiti in formato digitale per processarli, analizzarli e memorizzarli (soluzioni basate con un PC). In una grande maggioranza di applicazioni, il sistema di acquisizione dati (DAQ) è progettato non solo per acquisire dati, ma per agire anche su di esso. Quando un sistema viene definito sistema di acquisizione dati (DAQ) è possibile che includa anche funzioni di controllo.

In AMS, l’acquisizione dei dati e il monitoraggio dei processi vengono effettuati utilizzando diverse soluzioni come: registratori di dati, PLC, PC ecc...

Tipi di AMS

Esistono diverse configurazioni e tipi di AMS, tra questi troviamo:

• PC + interfaccia (serie o parallelo) + strumento;
• PC + scheda di acquisizione dati (+ sensori e condizionamento del segnale);
• Sistemi come (VXI e PXI);
• LAN;
• Sistemi basati su fieldbus: (DAS, DCS, SCADA).

Nel nostro corso studieremo solamente quell’AMS con configurazione sottolineata. Questa è una rappresentazione grafica della configurazione “PC+ scheda di acquisizione dati (+sensori e condizionamento del segnale)”.

Questa configurazione di AMS prende il nome di strumenti basati su PC (PC-based instrument), e consente di visualizzare, registrare e controllare un’ampia varietà di segnali reali (grandezze elettriche e non elettriche come: tensione, temperatura, corrente, pressione ecc...). Questa capacità è anche accoppiata con quella di una facile interfaccia con vari strumenti stand-alone.

Se osserviamo l’evoluzione, si partì dal segnale in tensione che veniva letto mediante uno strumento di lettura fisico. Successivamente si sono utilizzati strumenti stand-alone guidati da PC (con interfaccia seriale/parallela e driver dello strumento), ma questo aveva delle limitazioni. Infine, si è arrivati ad oggi con strumenti basati su PC (PC – based instrument) con (DAQ) che è un modulo che converte il segnale da analogico a digitale, e un software sul PC (es. Labview).

Il ruolo del software è quello di condizionare il segnale (vedremo dopo quali sono le funzionalità per condizionare un segnale). Quindi in definitiva, nel PC – based instrument, lo strumento è il software ciò significa che possiamo definirlo come uno strumento virtuale e ha una sequenza di operazioni del tipo:

• Software
• Plug-in board
• Condizionamento del segnale
• Sensori (converte in un valore numerico)

Vantaggi degli strumenti virtuali

• Costi trascurabili;
• Facile programmazione (poiché la programmazione è grafica);
• Il processore del PC è usato per processare diversi misurando simultaneamente (tensione, corrente, temperatura, pressione...);
• L’acquisizione dati avviene mediante il modulo (DAQ).

Dettagli sul condizionamento del segnale

Adesso concentriamo nella parte di condizionamento del segnale che serve a migliorare il segnale proveniente dal sensore/trasduttore, e ne andremo a definire ogni singola operazione che può essere fatta sul segnale:

• Amplificazione: L’operazione di amplificazione permette di amplificare il livello di un segnale aumentandone così la risoluzione e la sensibilità di misurazione. Come si può vedere con questo esempio, con lo stesso convertitore a 12 bit, noi riusciamo ad avere una risoluzione migliore del segnale amplificandolo. Quindi il concetto è, perché mi serve amplificare? Perché se amplifico il segnale posso sfruttare tutta la dinamica del convertitore e quindi migliorare la risoluzione del convertitore, e nell’esempio possiamo vedere un segnale non amplificato a 10mV e immaginiamo di acquisirlo con una scheda a 12 bit ma con un fondo scala di 10V, e in questo caso non apprezziamo bene le variazioni del misurando ed è come se non lo facessimo lavorare nel fondo scala. Se amplifico il segnale faccio sì che la dinamica del segnale sia adattata alla dinamica del convertitore in ingresso. Un altro motivo per cui si amplifica un segnale è legato al fatto che possiamo trovarci in ambienti in cui è presente del rumore, disturbi ecc... e necessità di trasmettere un'informazione a distanza; ovviamente se il segnale è basso può non arrivare al sistema di misura a valle e sommerso dal rumore.
• Isolamento: Alcuni segnali di tensione al di fuori possono danneggiare il sistema di misurazione e danneggiare anche l’operatore, per questo motivo l’isolamento è solitamente richiesto in combinazione con l’attenuazione per proteggere il sistema e l’utente da picchi di tensione o tensione pericolosi.
• Attenuazione: Esso è l’opposto dell’amplificazione, ed è necessario quando la tensione da digitalizzare sono oltre l’intervallo del convertitore. Generalmente, l’attenuazione è necessaria quando si vogliono misurare tensione che sono superiori ai 10V.
• Multiplexer: Il multiplexer può instradare sequenzialmente un certo numero di segnali in un unico convertitore, in maniera tale da poter espandere in maniera economica il numero di segnali di un sistema. Quando è fondamentale misurare due o più segnali nello stesso istante si raccomanda il campionamento simultaneo; a questo punto possiamo osservare due tipologie di configurazione del multiplexer: multiplexer in cui si ha un solo convertitore (giallo) e diversi segnali, allora mediante una tale configurazione con degli interruttori permette di inviare il segnale al convertitore. Campionamento simultaneo in cui si ha ogni convertitore per ogni canale e a valle di esso troviamo il multiplexer che commuta da un canale all’altro, esso è molto utilizzato per misurare due o più segnali nello stesso istante di tempo. Esso avrà dei costi maggiori.
• Filtraggio: I filtri eliminano il rumore indesiderato entro un certo intervallo di frequenza. Un altro uso comune per il filtraggio è quello di prevenire l’aliasing del segnale ad alta frequenza, questo può essere fatto utilizzando un filtro anti-aliasing per attenuare i segnali sopra la frequenza di Nyquist. I filtri anti-aliasing sono una forma di filtro passa-basso caratterizzato da una banda passante piatta.
• Eccitazione: L’eccitazione è richiesta per molti tipi di sensori e trasduttori e consiste al generatore di tensione (alternata o continua) o generatore di corrente continua.
• Linearizzazione: La linearizzazione è necessaria quando un sensore produce un segnale di tensione che generalmente è non linearizzato relativi alla misurazione fisica. Tale linearizzazione, è quel processo che può essere implementato sia a livello hardware con un sensore specifico per il condizionamento del segnale, oppure a livello software.
• Compensazione: Per esempio, la compensazione della temperatura che viene effettuata nelle termocoppie.
• Completamento del ponte: Il completamento del ponte è necessario per i sensori a quarto di ponte e mezzo ponte per formare un ponte di Wheatstone a quattro resistenze. La resistenza di completamento offre un riferimento fisso per rilevare piccole variazioni di tensione attraverso i sensori attivi.

Sistema di acquisizione dati (DAQ)

Successivamente, nella catena di misura dopo il blocco di condizionamento del segnale, troviamo la scheda di acquisizione dati (DAQ), esso può essere definito come un componente di un sistema di acquisizione e controllo dei dati, che esegue una delle seguenti funzioni:

• L’elaborazione e la conversione in formato digitale utilizzando un convertitore ADC.
• L’elaborazione e la conversione in formato analogico utilizzando un convertitore DAC.

Ed infine abbiamo la visualizzazione del valore del misurando su un display che sarebbe il nostro computer.

Acquisizione dati e processione dei dati digitali

Per la parte di acquisizione dati parleremo della conversione da analogico a digitale e successivamente parleremo di campionamento del segnale, quantizzazione e codifica; per la seconda parte e cioè per la processione dei dati digitali parleremo del teorema di Shannon, l’aliasing, anti-aliasing e i metodi di campionamento e le sue strategie, successivamente parleremo anche dell’armonica di un segnale e così via...

Conversione da analogico a digitale (A/D)

Se continuiamo ad osservare la catena di misura, vedremo che dopo il blocco di condizionamento del segnale troviamo il blocco di acquisizioni dati che consiste in un convertitore A/D che ha lo scopo di eseguire la conversione del segnale analogico in segnale numerico attraverso le operazioni di campionamento, quantizzazione e codifica.

La conversione A/D richiede tre fasi:

• Campionamento: che ne effettua la discretizzazione nel tempo;
• Quantizzazione: che ne effettua la discretizzazione dell’ampiezza;
• Codifica: esprime il valore del segnale quantizzato mediante un codice numerico dove ogni cifra è binaria e cioè che può assumere valori di 0 e 1.

La discretizzazione del segnale (sia nel tempo che in valore) introduce qualche errore; nella progettazione di un AMS, gli effetti di questi errori possono essere ridotti scegliendo correttamente l’hardware di acquisizione dati (DAQ). Nel processo di campionamento (sampling) si parte dal segnale analogico a tempo continuo (cioè determinato in ogni istante di tempo), e la discretizzazione nel tempo significa dire che il segnale è tempo discreto (cioè il valore del segnale è noto solo in momenti selezionati). Di solito il tempo discreto viene realizzato raccogliendo i campioni del segnale analogico ad un intervallo costante chiamato periodo di campionamento (Ts). La frequenza fs = 1/Ts è chiamata frequenza di campionamento ed è descritta in Hz.

Il tempo necessario per operare la conversione di ogni campione del segnale di ingresso nel suo valore digitalizzato è il periodo di conversione. Per evitare perdite di informazioni, il periodo di campionamento deve essere più lungo del periodo di conversione (ad esempio la conversione di un campione deve essere completata prima di acquisire un nuovo campione). Questo determina il limite per il periodo minimo di campionamento (frequenza massima di campionamento del convertitore ADC). A questo proposito i convertitori ADC sono solitamente divisi in bassa velocità e alta velocità di conversione.

I convertitori ADC ad alta velocità sono meno precisi rispetto a quelli a bassa velocità, mentre i convertitori ADC a bassa velocità hanno una maggiore accuratezza all’aumentare del numero di bit (risoluzione). I principali convertitori a bassa velocità: ADC integrati (singolo, doppio, multiplo) I principali convertitori ad alta velocità: registro di approssimazione successiva (SAR), flash, sigma-delta. Nelle schede di acquisizione dati (DAQ) i più comunemente utilizzati sono il SAR e il Delta-Sigma, mentre i convertitori integrati utilizzati principalmente per la conversione digitale sono ad esempio i multimetri.

Poiché tutti i convertitori ADC necessitano di avere in ingresso un segnale che si mantenga costante durante il tempo di conversione, per l’acquisizione di tensioni variabili nel tempo, il campionamento viene effettuato tramite un circuito di Sample-and-Hold (S/H), che ha il compito di mantenere costante la tensione analogica in ingresso al convertitore ADC per un tempo pari al tempo di conversione. In uno schema ideale, il dispositivo (S/H) è costituito da un dispositivo di accumulo della carica (condensatore C) e da un ingresso di controllo che controlla un interruttore (che collega l’ingresso all’uscita).

Nella fase di “Sample”, il comando all’ingresso di controllo chiude l’interruttore interno; il condensatore si carica e la tensione ai suoi capi si porta al valore della tensione in ingresso.

Nella fase di “Hold”, il comando all’ingresso di controllo apre l’interruttore; il condensatore mantiene la tensione di uscita al valore del segnale in ingresso al momento in cui il comando hold è stato applicato all’ingresso di controllo.

Esistono però dei problemi, e cioè nel processo di Sample il tempo di carica del condensatore dipende dalla resistenza equivalente del circuito di ingresso (non nullo); mentre, nel processo di Hold il condensatore si scarica perché la resistenza in uscita non è infinita (effetto di carico). Per risolvere tali problemi, vengono aggiunti due circuiti buffer all’ingresso e all’uscita del (S/H). Il buffer è un amplificatore operazione con retroazione negativa per evitare problemi di instabilità, ed esso viene anche chiamato come inseguitore di tensione in cui la tensione di uscita (Vout) è direttamente riportata in ingresso (Vin):

In modalità ‘Sample’, la tensione di uscita (Vout) del buffer a monte della (S/H) è uguale alla tensione di ingresso (Vin) e viene applicata al condensatore C. Permette una carica molto veloce (idealmente istantanea) del condensatore C al valore (Vin), grazie alla resistenza di uscita molto bassa (idealmente nulla) del buffer.

In modalità ‘Hold’, il buffer a valle della (S/H) evita la scarica del condensatore, grazie alla sua altissima (idealmente infinita) resistenza di ingresso. La tensione di uscita (Vout) del buffer è uguale alla tensione mantenuta dal condensatore (Vin).

Il circuito (S/H) consente al segnale di ingresso dell’ADC di rimanere costante per il periodo di tempo necessario per la conversione. Idealmente, il valore acquisito (convertito) dovrebbe essere uguale al valore del segnale di ingresso analogico al momento preciso in cui l’ingresso di controllo del (S/H) viene attivato. Tuttavia, a causa della non-idealità del circuito (S/H), rimangono alcune imprecisioni. Queste imprecisioni sono correlate alle fasi di apertura e chiusura dell’interruttore del (S/H) che dovrebbero avvenire istantaneamente e a intervalli di tempo fissi e costanti, invece, la commutazione non è istantanea e questo fa sì che si presentano delle piccole variazioni negli intervalli di tempo. Il risultato è che il transiente di mantenimento del campione è rappresentato nella figura, dove (Vin) è il segnale di ingresso analogico e (Vout) è la tensione di uscita del (S/H) (che verrà successivamente convertita dal convertitore ADC durante le fasi di attesa).

Il transitorio inizia con il comando ‘Sample’, e (Vout) inizia a tenere traccia di (Vin). Se andiamo a vedere alcuni parametri del segnale del (S/H), avremo:

• Tempo di acquisizione: è il tempo che intercorre tra l’occorrenza del comando di campionamento e il punto in cui l’uscita ha raggiunto l’ingresso all’interno di una determinata banda di errore (in genere, le schede riportano il tempo di acquisizione relativo alla variazione massima del segnale di ingresso).
• Tempo di apertura: è quel tempo necessario per passare, mediante l’interruttore, dallo stato di ‘Sample’ allo stato di ‘Hold’, questo tempo non è costante; Difatti, il Jitter è quel fenomeno che tiene conto di queste variazioni (dell’ordine del nanosecondo o picosecondo). L’incertezza di apertura rappresenta la differenza tra i tempi di apertura massimi e minimi.
• Drop rate: è la velocità alla quale l’uscita del (S/H) decade.

Una volta ottenuto il segnale (S/H), ogni valore del segnale (S/H) analogico viene convertito in un valore digitale (con codice binario avente una sequenza di bit di 0 e 1), mediante il processo di quantizzazione e codifica. Il processo di quantizzazione determina la discretizzazione in ampiezza del segnale analogico. Infatti, mentre il segnale analogico può assumere tutti i valori (ad esempio, da un valore minimo di 0 ad un valore massimo di S), il convertitore ADC può avere solo un numero finito di valori di uscita a seconda del suo numero di bit (la lunghezza del codice binario è determinata dal numero di bit del convertitore ADC). Il numero di livelli di quantizzazione è 2ⁿ, essendo n il numero di bit del convertitore ADC. Idealmente, per non avere errori di conversione, ogni possibile valore del segnale dovrebbe corrispondere ad un dato codice binario; questo sarebbe possibile solo con un numero infinito di bit. Nel caso reale, il convertitore ADC ha un numero...