Seduta in Laboratorio

Seduta in Laboratorio
Corso di misure meccaniche e
termiche
A.A. 2016/2017
Introduzione
Slides a cura del dott. R. Graziola e del dott. M. Hueller
Multimetro digitale Agilent
Multimetro digitale Agilent
Configurazione voltmetro
V
Configurazione amperometro
A
Termoresistenza Pt100
E’ un sensore di temperatura che sfrutta la variazione della resistività del platino al
variare della temperatura.
• 
Pt100 misura 100ohm a 0°C
• 
Campo di impiego: –220 / +750 °C
• 
Corrente di misura e auto-riscaldamento: RPT100 * I2
• 
Tempo di risposta
• 
Isolamento
R100 R0
Coefficiente di temperatura: ↵ =
R0 · 100
Resistenza R a temperatura t:
Temperatura t a resistenza R:
Rt = R0 [1 + ↵ (t
α = 0.003850 1/°C
t0 )]
R t R0
t=
R0 · ↵
Variazione di Resistenza per 1°C = 0.3850 Ohm/°C
Termoresistenza al Platino Pt100
Tabella di corrispondenza °C > Ohm
Termoresistenza al Platino Pt100
Modello DeltaOhm TP47.100
Termoresistenza al Platino Pt100
Modello DeltaOhm TP47.100
1
3
s similar0 to the µA741C.
Thermal2 compression
or
nding pads. Chips may be mounted with conductive
B
IN –
(2)
OFFSET N1
(1)
OFFSET N2
(5)
OUT
1
(6)
5
+
7
(3)
VCC+
(7)
U1
3
–
6
(4)
2
VCC –
Diagramma funzionale
4
IN +
D
5
Amplificatore operazionale uA741
A
C
4
UA741CP
Schema per CAD-SPICE
6
onfigurations and Functions
µA741M . . . J PACKAGE
(TOP VIEW)
NC
NC
OFFSET N1
IN –
IN +
VCC –
NC
1
14
2
13
3
12
4
11
5
10
6
9
7
8
Amplificatore operazionaleµA741M
uA741. . . JG PACKAGE
NC
NC
NC
VCC +
OUT
OFFSET N2
NC
µA741C, µA741I . . . D, P, OR PW PACKAGE
(TOP VIEW)
OFFSET N1
IN –
IN +
VCC –
10
2
9
3
8
4
7
5
6
2
7
3
6
4
5
NC
VCC+
OUT
OFFSET N2
Layout
NC
OFFSET N1
NC
NC
NC
1
8
µA741M . . . FK PACKAGE
(TOP VIEW)
µA741M . . . U PACKAGE
(TOP VIEW)
NC
OFFSET N1
IN –
IN +
VCC –
1
NC
NC
VCC +
OUT
OFFSET N2
NC
IN –
NC
IN +
4
3 2 1 20 19
18
5
17
6
16
NC
VCC +
NC
OUT
Alimentazioni e caratteristiche uA741
Alimentazione:
-max: +/-18Volt , +/-22Volt
-usata per didattica: +/- 15 Volt
Tensione ingressi:
-max: +/-15Volt , +/-30Volt
Corrente uscita: max 10/20 mAmp
1° Riga : COM
2° Riga : +Vs
3° Riga : -Vs
4° Riga : COM
Tecnica di disaccoppiamento alimentazioni
per basse e alte frequenze
Circuito per Termometro (V)
Generatore di corrente
costante
Pt100
V1 (t) = I · R (t)
Riferimento di tensione
Amplificatore
V2 (t) = G2 · V1 (t)
Amplificatore differenziale
V3 (t) = G3 (V2 (t)
V0 )
Circuito per Termometro (V)
Pt100
R2 100K
Amplificatore
I=1mA
Sensore Pt100
Termoresistenza PT100
-15V
U1
OP07
P2 1K
U2
ua741
Test points
+15V
dVout / dt = 100 mV / °C
Vout= 0,0Volt a 0°C
Vout
= 0 V a 0 °C
Vout= 100mV/°C
7
5
3
+
4
1
8
2
6
U3
AD622
U4
AD622
U1
+15V
1
2
3
4
U5
NC
NC
VIN
NC
TEM
GND
REF02
VOUT
TRIM
8
-15V
7
6
5
V_ref = 5,000V
RG2
10K
12 k
P3 10K
6
U2
OP07
U3
ua741
+15V
Amplificatore
Riferimento in tensione
3
2k
+15V
Generatore I Costante
pari a 1mA
2
7
7
+
0.5 k
R1 1,5K
6
+
P1 1K
3
-
2
-
RG 4,7K
4
8
1
4
8
1
-15V
Generatore tensione di riferimento di +5 Volt
Utilizziamo l’integrato REF02 che è un riferimento di tensione a +5 Volt con
eccellente stabilità.
= 5 V +/- 300 mV
Generatore tensione di riferimento di +5 Volt
1) Generatore corrente costante
Riscaldatore 27ohm 1/2Watt (!!!)
V+ = 0
IREF =I=1mA
1 mA
R1
V ⇡0
Termoresistenza PT100
-15V
V1
4
8
1
3
U1
6
R1 1,5K
OP0 7
P 2 1K
ua741
7
P 1 1K
2
+
RG 4,7K
-
I ⇡0
VREF
IREF =
RG
Riscaldatore 27ohm 1/2Watt (!!!)
Vref
+1 5V
R1
I=1mA
IREF · R (t)
V1 (t) =
1) VREF = 5.000 V (da REF02)
Termoresistenza PT100
+5 V ( Lim
-15V
R4 10 0K
P5
1K
4
8
1
2) i_Pt100 = IREF = 1mA valore consigliato per limitare l’effetto di autoriscaldamento
Agilent
R5 18 K
5K
P4
P 2 1K
4
8
1
OP0 7
2
3
U4
+1 5V
7
P3
7
P1 = 1 Kohm
5K
R1 1,5K
6
+
+5 ,0 00V
RG
= 4.7 Kohm
R3 18 K
3
U1
-15V
-
4)Valori scelti:
P 1 1K
+
3) RG = VREF / iREF = 5 Kohm
2
-
RG 4,7K
R6
10 0K
OP0 7
6
R6 3,9K
Vout= 100mV/C°
Riscaldatore 27ohm 1/2Watt (!!!)
V+ = 0
IREF =I=1mA
1 mA
R1
V ⇡0
A
Termoresistenza PT100
-15V
V1
4
8
1
3
U1
6
R1 1,5K
OP0 7
P 2 1K
ua741
7
P 1 1K
2
+
RG 4,7K
-
I ⇡0
VREF
IREF =
RG
Riscaldatore 27ohm 1/2Watt (!!!)
Vref
+1 5V
R1
I=1mA
IREF · R (t)
V1 (t) =
1) VREF = 5.000 V (da REF02)
Termoresistenza PT100
+5 V ( Lim
-15V
R4 10 0K
P5
1K
4
8
1
2) i_Pt100 = IREF = 1mA valore consigliato per limitare l’effetto di autoriscaldamento
Agilent
R5 18 K
5K
P4
P 2 1K
4
8
1
OP0 7
2
3
U4
+1 5V
7
P3
7
P1 = 1 Kohm
5K
R1 1,5K
6
+
+5 ,0 00V
RG
= 4.7 Kohm
R3 18 K
3
U1
-15V
-
4)Valori scelti:
P 1 1K
+
3) RG = VREF / iREF = 5 Kohm
2
-
RG 4,7K
R6
10 0K
OP0 7
6
R6 3,9K
Vout= 100mV/C°
Riscaldatore 27ohm 1/2Watt (!!!)
V+ = 0
IREF =I=1mA
1 mA
R1
V ⇡0
Termoresistenza PT100
-15V
V1
4
8
1
3
U1
6
P 2 1K
ua741
V
Riscaldatore 27ohm 1/2Watt (!!!)
Vref
+1 5V
R1
I=1mA
IREF · R (t)
V1 (t) =
1) VREF = 5.000 V (da REF02)
R1 1,5K
OP0 7
7
P 1 1K
2
+
RG 4,7K
-
I ⇡0
VREF
IREF =
RG
Termoresistenza PT100
+5 V ( Lim
-15V
R4 10 0K
P5
1K
4
8
1
2) i_Pt100 = IREF = 1mA valore consigliato per limitare l’effetto di autoriscaldamento
Agilent
R5 18 K
5K
P4
P 2 1K
4
8
1
OP0 7
2
3
U4
+1 5V
7
P3
7
P1 = 1 Kohm
5K
R1 1,5K
6
+
+5 ,0 00V
RG
= 4.7 Kohm
R3 18 K
3
U1
-15V
-
4)Valori scelti:
P 1 1K
+
3) RG = VREF / iREF = 5 Kohm
2
-
RG 4,7K
R6
10 0K
OP0 7
6
R6 3,9K
Vout= 100mV/C°
Circuito per Termometro (V)
Generatore di corrente
costante
Pt100
V1 (t) = I · R (t)
V1 (t = 0) = 100⌦ · 1mA = 100mV
dV1 (t)
⌦
mV
= 0.385 o · 1mA = 0.385 o
dt
C
C
2) Amplificatore invertente
100 k
15
2k
15
V+ = 0
V ⇡0
I ⇡0
Vgen
=
R2
VOU T
R1
Vout =
R1
Vgen
R2
Amplificatore
R2 100K
I=1mA
-15V
-15V
4
8
1
U3
+
U1
OP07
V1
4
8
1
2
P2 1K
3
7
7
6
+
-
6
V2
U2
OP07
2k
+15V
+15V
V2 (t) = G2 · V1 (t)
R2
G2 =
= 50
R1
+15V
Vout= 0,0Volt a 0°C
7
5
3
ua741
R1 1,5K
-
2
Vout= 100mV/°C
Circuito per Termometro (V)
Generatore di corrente
costante
Pt100
V1 (t) = I · R (t)
V1 (t = 0) = 100⌦ · 1mA = 100mV
dV1 (t)
⌦
mV
= 0.385 o · 1mA = 0.385 o
dt
C
C
Riferimento di tensione
Amplificatore
V2 (t) = G2 · V1 (t)
V2 (t = 0) = G2 V1 (t = 0) =
dV2 (t)
dV1 (t)
= G2
=
dt
dt
50 ·
50 ·
0.385
100mV = 5V
mV
mV
=
19.25
oC
oC
3) Instrumentation amplifier (INA)
Vout =
✓
Vin 1 +
2R1
Rgain
◆
R3
R2
Vantaggi INA:
• 
Tramite la sola resistenza Rgain posso regolare il guadagno dell’amplificatore
• 
Effettua misure differenziali sui segnali in ingresso (elimina segnale di modo
comune)
• 
Impedenza degli ingressi altissima pari all’impedenza di ingresso
dell’amplificatore operazionale (non altera il segnale in input a causa
all’impedenza del circuito di amplificazione)
• 
Resistenze interne tarate al laser in fase di costruzione
L INA da noi utilizzato è l’AD622
RG =
50.5k⌦
G 1
Rg non inserita => Gain = 1
Circuito per Termometro (V)
Generatore di corrente
costante
Pt100
V1 (t) = I · R (t)
V1 (t = 0) = 100⌦ · 1mA = 100mV
dV1 (t)
⌦
mV
= 0.385 o · 1mA = 0.385 o
dt
C
C
Riferimento di tensione
Amplificatore
V2 (t) = G2 · V1 (t)
V2 (t = 0) = G2 V1 (t = 0) =
dV2 (t)
dV1 (t)
= G2
=
dt
dt
50 ·
50 ·
0.385
100mV = 5V
mV
mV
=
19.25
oC
oC
Amplificatore differenziale
V3 (t) = G3 (V2 (t)
V0 )
V0 == V2 (t = 0) = 5V
dV3 (t)
dV2 (t)
mV
mV
= G3 ·
= G3 · 19.25 o == 100 o
dt
dt
C
C
Circuito per Termometro (V)
Amplificatore differenziale
V3 (t) = G3 (V2 (t)
V0 )
V0 == V2 (t = 0) = 5V
dV3 (t)
dV2 (t)
mV
mV
= G3 ·
= G3 · 19.25 o == 100 o
dt
dt
C
C
50.5k⌦
RG =
= 12.04k⌦ ⇡ 12k⌦
G 1
Circuito per Termometro (V)
Pt100
R2 100K
Amplificatore
I=1mA
Sensore Pt100
Termoresistenza PT100
-15V
U1
OP07
P2 1K
U2
ua741
Test points
+15V
dVout / dt = 100 mV / °C
Vout= 0,0Volt a 0°C
Vout
= 0 V a 0 °C
Vout= 100mV/°C
7
5
3
+
4
1
8
2
6
U3
AD622
U4
AD622
U1
+15V
1
2
3
4
U5
NC
NC
VIN
NC
TEM
GND
REF02
VOUT
TRIM
8
-15V
7
6
5
V_ref = 5,000V
RG2
10K
12 k
P3 10K
6
U2
OP07
U3
ua741
+15V
Amplificatore
Riferimento in tensione
3
2k
+15V
Generatore I Costante
pari a 1mA
2
7
7
+
0.5 k
R1 1,5K
6
+
P1 1K
3
-
2
-
RG 4,7K
4
8
1
4
8
1
-15V
Il software
LabView: linguaggio di programmazione per
interfacciare strumenti ed acquisire dati
4) Taratura dinamica
Ingresso a gradino in temperatura
M
Stimolo a
gradino
Sistema
di misura
Risposta
impulsiva
Si ottiene infilando rapidamente la
sonda nel fornelletto riscaldante
5) Analisi di un sistema termico
Ingresso a temperatura variabile
La sonda è a contatto con un ambiente in cui avvengono variazioni di
temperatura, da ricostruire.
???
Stimolo da
ricostruire
M
Sistema
di misura
Risposta
misurata
Variazioni di temperatura provenienti da sorgente di calore:
Resistenza di potenza pilotata da un altro alimentatore (Agilent ramo
6V/5A)
5) Analisi di un sistema termico
Ingresso a temperatura variabile
La sonda è a contatto con un ambiente in cui avvengono variazioni di
temperatura, da ricostruire.
Sensore
Pt100
Termostato
Variazioni di temperatura provenienti da sorgente di calore:
Resistenza di potenza pilotata da un altro alimentatore (Agilent ramo
6V/5A)
5) Termostato
Interruttore elettrico impostato in temperatura
Normalmente chiuso
Cambia stato al passaggio alla soglia
Può essere usato per fornire un ‘segnale’ ad un attuatore