Tesi di Laurea

1. POLITECNICO DI TORINO II Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Tesi di Laurea Studio, progetto e realizzazione di un impedenzimetro elettrochimico basato su DSP Relatori: prof. Marco Parvis prof. Franco Ferraris Candidati: Stefano Bovio Danilo Dolfini Luglio1999

2. Sommario • Scopo della tesi • Analisi del misurando • Specifiche e problemi di misurazione • Il sistema realizzato • Risultati ottenuti • Esempi di misurazione • Conclusioni

3. Scopo della Tesi • Analisi dello stato di salute dei monumenti metallici • Progetto e sviluppo di uno strumento portatile ed economico • Collaborazione con il Diparimento di Scienza dei Materiali ed Ing. Chimica

4. Seconda armatura Rivestimento protettivo Struttura metallica Natura del misurando • Struttura metallica • Modello elettrico del misurando • Rivestimento protettivo

5. Cella elettrochimica • Deve assicurare un buon contatto elettrico con il rivestimento • Soluzione chimica • soluzione acquosa di solfato di piombo • Struttura a tre elettrodi • contro-elettrodo • elettrodo di lavoro • elettrodo di riferimento

6. Modello elettrico del misurando • Conducibilità dello strato di vernice • Capacità dello strato di vernice Rp ~ 1 GW • Impurità superficiali Rs ~ 10 KW C ~ 1 nF

7. Specifiche di misura • Possibilità di un’analisi in frequenza da 0.1 Hz a 10 kHz • Segnale applicabile: 10 mV • Incertezza richiesta • modulo: 5-10 % - fase: 5° • Campo di impedenze da misurare • limite inferiore: 1 kW @ 10 kHz • limite superiore: 1 GW @ 0.1 Hz

8. Problemi di misura • Campo di correnti da misurare • da 10 pA a 10 mA (6 decadi) • Suscettibilità al rumore • in particolare 50 Hz • Fenomeni parassiti

9. SM SC Architettura del sistema • Software di misura e di controllo • Cella elettrochimica • Personal Computer • Software di comunicazione tra DSK e PC • Interfaccia tra DSK e cella elettrochimica • Scheda DSK fornita dalla Texas Instruments DSK Interfaccia Cella

10. Vin Amplificatore d’ingresso Zcampione Zx (cella) Imisurata Vout Convertitore I/V Metodo di misura • Generazione della tensione e misurazione della corrente • Autotaratura del sistema

11. Amplificatore con LPF a frequenza variabile R1 R5 R6 Imisurata _ Vout _ + + Vmis. + Voffset Convertitore corrente-tensione • Schema della soluzione adottata

12. Amplificatore con LPF a frequenza variabile R1 Vmis. + Imisurata Gn1 Gn2 R5 _ 80 R6 70 Imisurata Ra _ 60 _ + + Rf 50 Vout Vmis. R1 + 40 Voffset rumore [dB] 30 20 10 R2 Rb 0 8.3 kW 560 kW 23 MW Guadagno Vn1 Vn2 68 kW 4 MW 120 MW Guadagno (Req) Convertitore corrente-tensione • Soluzione a “doppio T”

13. Metodo numerico di misura • Algoritmo di stima basato sui minimi quadrati • Ipotesi: • la generazione ed il campionamento sono sincroni • campionamento di un numero intero di periodi

14. SM DSK Interfaccia SC Cella Software • DLL in Visual C++ • funzioni per la comunicazione tra DSK e PC • Interfaccia grafica in Visual Basic • elaborazione grafica dei risultati • diagrammi di Bode • diagramma di Nyquist • Programma di gestione in assembler

15. DSK Cella Interfaccia Tastierino Display LCD Architettura dell’interfaccia • Scheda di gestione • Scheda di espansione • Interfaccia utente • Scheda di amplificazione Scheda di espansione Amplificatore Scheda di gestione

16. Amplificatore • Guadagno variabile • da 5·105 a 5·1010  • Elevata immunità ai disturbi elettromagnetici • filtri a frequenza di taglio variabile • filtro elimina-banda a 50 Hz • Potenziostato • Predisposizione per la compensazione attiva degli offset

17. Scheda di espansione • Ram: 32k x 32 bit • Eprom: 32k x 8 bit • I/O latch • relè amplificatore • tastierino • Stand-by • possibilità di spegnere il DSP conservando le misure • monitor batteria

18. Scheda di gestione • Controlli • alimentazione • display LCD • tastierino (mouse) • Regolatore offset

19. Risultati ottenuti • Ripetibilità della funzione di taratura • Misurazione di un condensatore che emula la cella • Misurazioni al di fuori del campo di progetto • Caratteristica a vuoto • Misurazione con la cella elettrochimica • Esempio di misurazione (filmato)

20. Deviazione standard della funzione di autotaratura 0.04 0.03 Modulo [%] 0.02 0.01 1 2 3 10 10 10 0.02 0.015 Fase [°] 0.01 0.005 1 2 3 10 10 10 Frequenza [Hz] Risultati ottenuti • Ripetibilità della funzione di taratura

21. 2 0 Errore Modulo [%] -2 -4 -1 0 1 2 3 10 10 10 10 10 1 0.5 Errore Fase [°] 0 -0.5 -1 -1 0 1 2 3 10 10 10 10 10 Frequenza [Hz] Risultati ottenuti • Misurazione di un condensatore da 10 nF Incertezza sul modulo < 4% Incertezza sulla fase < 1° Con correzione software Incertezza sul modulo < 2%

22. 10 Zona proibita (problemi di oscillazione) 10 8 10 Impedenza [Ohm] 6 10 33 nF 4 10 -1 0 1 2 3 10 10 10 10 10 Frequenza [Hz] Risultati ottenuti • Diagramma delle incertezze C = 100 pF C = 56 pF C = 33 pF 1 nF C = 10 pF 4% - 1° 330 pF 13% - 4° 33 nF 8% - 2°

23. 50 40 errore % modulo 30 20 10 0 -1 0 1 10 10 10 40 30 errore fase [°] 20 10 0 -1 0 1 10 10 10 Frequenza [Hz] Risultati ottenuti • Misurazioni al di fuori del campo di progetto C = 100 pF Zmax  16 GW C = 56 pF Zmax  28 GW C = 33 pF Zmax  48 GW C = 10 pF Zmax  160 GW

24. 11 10 Capacità stimata 6.8 pF (~ 200 GW @0.1 Hz) Modulo [Ohm] 10 10 9 10 -1 0 1 10 10 10 -40 -60 Fase [°] -80 -100 -1 0 1 10 10 10 Frequenza [Hz] Risultati ottenuti • Misurazione a vuoto

25. Capacità stimata 2 pF • Misurazione a vuoto • strumento commerciale di riferimento

26. 8 10 Modulo [Ohm] 6 10 4 10 0 1 2 3 10 10 10 10 -50 -60 -70 Fase [°] -80 -90 -100 0 1 2 3 10 10 10 10 Frequenza [Hz] Risultati ottenuti • Esempio di misurazione con la cella Con strumento realizzato Con strumento commerciale di riferimento

27. Fase dell’impedenza misurata Fase [°] Modulo dell’impedenza misurata Log (f) Log(modulo) N° misure Log (f) N° misure Esempio di misurazione • Provino integro • Provino in degrado • Provino asciugato • Il degrado si ripete

28. 2000 Rp [Mohm] 1000 0 0 50 100 150 200 250 300 350 2000 1500 Cp [pF] 1000 0 50 100 150 200 250 300 350 2 Rp*Cp [s] 1 0 0 50 100 150 200 250 300 350 tempo [min] Esempio di misurazione • Modello RC parallelo Degrado indipendente dal segnale Degrado tra misurazioni successive Degrado anche in assenza di segnale Degrado quasi reversibile

29. Esempio di misurazione • Filmato di una misurazione assistita da un PC se si desidera vedere questo filmato potete richiederlo per e-mail

30. ! Conclusioni • Il sistema realizzato è ... ...caratterizzato, per misurandi tipici, da una incertezza sul modulo inferiore al 4% e sulla fase inferiore ad 1° ...portatile e facile da usare ...di basso costo • circa 20 volte inferiore rispetto al costo dello strumento commerciale di riferimento • Gli obiettivi prefissati sono stati raggiunti.

31. ? Problemi aperti • Software • algoritmo di stima, su un numero non intero di periodi, per velocizzare le misure in bassa frequenza • algoritmo per la valutazione qualitativa delle misure • modello raffinato dei parametri parassiti • Realizzazione industriale delle schede • Cella elettrochimica • realizzazione a doppio contatto per minimizzare gli effetti dei disturbi elettromagnetici

32. POLITECNICO DI TORINO II Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Tesi di Laurea Studio, progetto e realizzazione di un impedenzimetro elettrochimico basato su DSP Relatori: prof. Marco Parvis prof. Franco Ferraris Candidati: Stefano Bovio Danilo Dolfini Luglio1999