Appunti Automatic Measurement system and sensors

AUTOMATIC MEASUREMENT SYSTEM

Cosa è un Sistema di Misurazione Automatica (AMS)?

Un sistema che consiste di componenti hardware e software, in cui il processo di misurazione viene

eseguito automaticamente e i dati di misurazione sono resi disponibili in forma numerica per essere

processati, memorizzati e trasmetti in maniera remota.

Perché si usa un AMS?

Per eseguire automaticamente misurazioni ripetute e complesse, sostituendo l’operatore;

Per monitorare lo stato di un sistema/impianto complesso;

Per 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 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 sua 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) e 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 diversi 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 (mostra a video il

Condizionamento

Segnale di

sensori (converte in un valore del segnale in

del segnale

controllo valore numerico) ingresso)

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).

Osserviamo com’è costituita la catena di misura, e cioè quella a cui dobbiamo fare riferimento:

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 si 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.

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:

1. L’elaborazione e la conversione in formato digitale utilizzando un convertitore ADC.

2. 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 degnale, 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 cosi

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,

1. che ne effettua la discretizzazione nel tempo;

Quantizzazione,

2. che ne effettua la discretizzazione dell’ampiezza;

Codifica,

3. 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<