Lezione 1 La trasduzione delle grandezze non elettriche I parte

1. Lezione 1La trasduzione delle grandezze non elettricheI parte

2. 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

3. dal corso di Misure elettroniche:Il processo di misurazione La misurazioneè 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.

4. Segnale elettrico Grandezza fisica Trasduttore 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 elettricapresente all'ingresso.

5. dal corso di Misure elettroniche:Pregi dei segnali elettrici • amplificabili, • trasmissibili a distanza, • registrabili, • elaborabili.

6. 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.

7. Processo di misurazione • I trasduttori sono ilprimo 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.

8. Grandezza di interesse Trasmetti- tore Condizio- natore Trasduttore Linea di trasmissione Condizio- natore Ricevitore “Catena” di misurazione

9. Grandezza di interesse Trasmetti- tore Condizio- natore Trasduttore Linea di trasmissione Condizio- natore Ricevitore “Catena” di misurazione

10. 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.

11. Controllore di processo Attuatori Operatore Processo Interfaccia Trasduttori Controllo di processo

12. Controllore di processo Attuatori Operatore Processo Interfaccia Trasduttori Controllo di processo

13. Quote di mercato in Italia

14. 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.

15. Informazione Estrazione della informazione Trasduttore Misurando Uscita il trasduttore e lo spazio dell’informazione

16. 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.

17. 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. »

18. Trasduttori e “sensori” A volte, per la complessità della trasformazione richiesta, iltrasduttore 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

19. Trasduttore“forza-tensione” Trasduttore“spostamento-tensione” Trasduttore“forza-spostamento” Trasduttori e “sensori” A volte, per la complessità della trasformazione richiesta, iltrasduttore 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”.

20. Sensore Trasduttori e “sensori” A volte, per la complessità della trasformazione richiesta, iltrasduttore 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”.

21. Criticità del sensore • il sensore ha un ingresso obbligato, sia come tipo di grandezza fisica, sia come campo di variabilità. • Per questo motivo il sensoreè il più critico fra gli elementi della catenadi misurazione in quanto è il più condizionatodalle caratteristichedel sistema misurato.

22. 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.

23. 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 misurandoper non provocare danni permanenti al trasduttore.

24. 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

25. 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”

26. 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.

27. x(t) y(t) sistema utilizzatore sistema misurato trasduttore introduzione al modello matematico del trasduttore nel caso stazionario: y = fd ( x ) nel caso stazionario: y = fd ( x ) funzione (ideale) di conversione diretta: y( t ) = fd ( x( t ))

28. x(t) y(t) sistema utilizzatore sistema misurato trasduttore la condizione di non distorsione il trasduttore è non distorcente se, per qualunque t: y( t ) = Ax( t - t ) con Aetcostanti

29. x(t) y(t) sistema utilizzatore sistema misurato trasduttore la condizione di non distorsione

30. x(t) y(t) sistema utilizzatore sistema misurato trasduttore le due funzioni (ideali) di conversione funzione (ideale) di conversione diretta: y( t ) = fd ( x( t )) funzione (ideale) diconversione inversa: x( t ) = fi ( y( t ))

31. x(t) y(t) Sistema ambiente sistema utilizzatore sistema misurato trasduttore Sistema utilizzatore Sistema misurato trasduttore Sistema ausiliario interazioni trasduttore - sistemi esterni“grandezze di influenza”

32. 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) !!!

33. modelli matematici generali modello inversox(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

34. modello matematico semplificato sexè indipendente da tutte leg nel determinare l’uscita y: y(t) = fx(x(t))+ f1 ( x(t), gA1(t), ..., gAi(t), gS1 , ..., gSj , gU1 , ..., gUl , gM1 , ..., gMk )

35. modello matematico semplificato se poitutte legsono indipendenti dax nel determinare l’uscita y: y(t) = fx(x(t))+ f2 (gA1(t), ..., gAi(t), gS1 , ..., gSj , gU1 , ..., gUl , gM1 , ..., gMk )

36. modello matematico semplificato se infinetutte legsono indipendenti l’una dall’altranel 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 )

37. 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

38. 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