Controllo temperatura, umidità e luminosità all
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Esercizio 9 – Controllo temperatura, umidità e luminosità all’interno di una serra Si desidera controllare i valori di temperatura, umidità e luminosità all’interno di una serra. I valori vengono rilevati ogni ora ed inviati al sistema di gestione dei dati. Il trasduttore di temperatura fornisce una corrente proporzionale alla temperatura nell’intervallo scelto: I (0°C) = 273µA I (50°C) = 323µA Il trasduttore di umidità e quello di luminosità presentano rispettivamente le seguenti caratteristiche: I convertitori A/D a disposizione sono ad 8 bit ed ammettono una tensione in ingresso compresa tra 0V e 5V. Il candidato, fatte le ulteriori ipotesi ritenute necessarie, 1. rappresenti il sistema di acquisizione dati con uno schema a blocchi, 2. dimensioni i circuiti di condizionamento dei segnali provenienti dai trasduttori, 3. descriva l’interfaccia di acquisizione dati. Infine, considerando che sia il controllo della temperatura che quello della luminosità è di tipo ON/OFF con l’apertura della condotta dell’aria calda o l’accensione delle luci se la temperatura o la luminosità scende al di sotto di un valore fissato, il candidato, fatte eventuali ipotesi aggiuntive, descriva il sistema e illustri una soluzione usando un linguaggio di sua conoscenza. ____________________________ Durata massima della prova: 6 ore. È consentito l’uso di manuali tecnici e di calcolatrici non programmabili. Non è consentito lasciare l’Istituto prima che siano trascorse 3 ore dalla dettatura del tema. Punto 2 - Progetto circuiti di condizionamento Condizionamento trasduttore di temperatura Soluzione con l’amplificatore per strumentazione Il trasduttore fornisce in uscita una corrente, è pertanto necessario utilizzare un convertitore I/V seguito da un amplificatore che condizioni il segnale affinché sia incluso nell’intervallo 0V÷5V richiesto dal convertitore interno del CB280. In fig. 1 è riportato lo schema elettrico del circuito contenente il convertitore I/V e l’amplificatore differenziale per strumentazione INA111 (R=25KΩ). Il trasduttore di temperatura fornisce una corrente proporzionale alla temperatura nell’intervallo scelto: I (0°C) = 273µA I (50°C) = 323µA Il circuito di Fig.1 lavora nel range di temperatura assegnato 0°C ÷ 50°C, la resistenza R1 (10 KΩ 1%) effettua la conversione I/V. L’amplificatore operazionale A0, configurato come inseguitore, effettua la separazione tra il trasduttore e l’amplificatore per strumentazione. + Vcc=12V I0=1 µA/K 0°C 273µA 50°C 323µA Vs0=10mV/K R1 + A0 + Vco=0V÷ 5V 1 Vs0=2,73V÷ 3,23V I0=1 µA/K 6 P24 12 CH0_A/D INA111 RG amplificatore per strumentazione 8 Fig. 1 - 2 VR0=2,73V Calcolo range tensione Vs (si pone R1=10 KΩ Ω 1%) T(°C)=0°C T(°C)=50°C 7 3 CB280 T(K)= 273K T(K)= 323K 4 5 -12V Vs0min=R1*Is=273*1*10-6*10*103=2,73 V Vs0max=R1*Is=323*1*10-6*10*103=3,23 V Affinché alla temperatura di 0°C corrisponda Vc0=0V si pone VR0=VS0min=2,73V Calcolo guadagno G e RG dell’amplificatore per strumentazione INA111 VC 0 max 5 G= = = 10 Vs 0 max − Vs 0 Min 3,23 − 2,73 2R 2 • 25 ⋅ 10 3 RG = = = 5.556Ω G −1 10 − 1 La resistenza RG viene realizzata con una resistenza fissa da 2,2 KΩ con in serie un trimmer da 4,7KΩ ( Fig.2) Rx0 = 2,2KΩ P0= 4,7 KΩ ( TRIMMER ) Fig.2 P0 Rx0 Deve risultare: Rx0 + P0/2 ≅ 5556Ω Soluzione con l’amplificatore differenziale Il trasduttore fornisce in uscita una corrente, è pertanto necessario utilizzare un convertitore I/V seguito da un amplificatore che condizioni il segnale affinché sia incluso nell’intervallo 0V÷5V richiesto dal convertitore interno del CB280. Nella Fig. 3 si propone uno schema di condizionamento con offset di tensione che utilizza un amplificatore operazionale in configurazione differenziale. Il trasduttore di temperatura fornisce una corrente proporzionale alla temperatura nell’intervallo scelto: I (0°C) = 273µA I (50°C) = 323µA La conversione corrente-tensione è realizzata con la resistenza R1. L’amplificatore operazionale A0, configurato come inseguitore, effettua la separazione tra il trasduttore e amplificatore operazionale in configurazione differenziale. R3 Vcc=12V Vr=2,73V - 273µA 0°C - 323µA 50°C A1 A0 Vs=10mV/K R1 R2 + + Vs=2,73V÷ 3,23V Is=1 µA/K Vo=0V÷5V R2 R3 Fig. 3 Calcolo range tensione Vs (si pone R1=10 KΩ Ω 0,1%) T(°C)=0°C T(°C)=50°C T(K)= 273K T(K)= 323K Vs=R1*Is=273*1*10-6*10*103=2,73 V Vs=R1*Is=323*1*10-6*10*103=3,23 V Dimensionamento Vr, R3, R2 Vo = R3 ⋅ (Vs − Vr ) R2 a) T=0°C Vs=2,73V V0=0V b) T=50°C Vs=3,23V V0=5V 0= R3 ⋅ (2,73 − Vr ) si ricava R2 5= R3 ⋅ (3,23 − 2,73) R2 Vr=2,73V R3=50 KΩ Ω R 5 = 3 0,5 R2 R2=5 KΩ Ω Condizionamento trasduttore di umidità Soluzione con l’amplificatore per strumentazione Il trasduttore fornisce in uscita una tensione, 1,5V ÷ 4V nel range 0% ÷ 100% (dati ricavati dal grafico assegnato, riportato in Fig. 4), è pertanto necessario utilizzare un convertitore V/V che condizioni il segnale affinché sia incluso nell’intervallo 0V÷5V richiesto dal convertitore interno del CB280. Fig. 4 Nella Fig. 5 si propone uno schema di condizionamento con offset di tensione che utilizza un amplificatore per strumentazione INA111 (R=25KΩ).. L’amplificatore operazionale A0, configurato come inseguitore, effettua la separazione tra il trasduttore e l’amplificatore per strumentazione. + 12V 0% ÷ 100% Trasduttore di Umidità + A0 + Vc1=0V÷ 5V 7 3 1 Vs1=1,5V÷ 4V VU=1,5V÷ 4V 6 CB280 P25 12 CH1_A/D INA111 RG amplificatore per strumentazione 8 Fig. 5 VR1=1,5V 2 4 5 -12V Affinché all’umidità di 0% corrisponda Vc1=0V si pone VR1=VS1min=1,5V Calcolo guadagno G e RG dell’amplificatore per strumentazione INA111 2R 2 • 25 ⋅ 10 3 RG = = = 50 KΩ G −1 2 −1 VC1max 5 G= = =2 Vs1max − Vs1Min 4 − 1,5 La resistenza RG viene realizzata con una resistenza fissa da 22 KΩ con in serie un trimmer da 47KΩ ( Fig.2) Rx1 = 22KΩ Fig.6 P1 Rx1 P1= 47 KΩ ( TRIMMER ) Deve risultare: Rx1 + P1/2 ≅ 50KΩ Soluzione con l’amplificatore differenziale Il trasduttore fornisce in uscita una tensione, 1,5V ÷ 4V nel range 0% ÷ 100% (dati ricavati dal grafico assegnato, riportato in Fig. 7), è pertanto necessario utilizzare un convertitore V/V che condizioni il segnale affinché sia incluso nell’intervallo 0V÷5V richiesto dal convertitore interno del CB280. Fig. 7 Nella Fig. 8 si propone condizionamento con offset utilizza un amplificatore configurazione differenziale. L’amplificatore operazionale come inseguitore, effettua la trasduttore e amplificatore configurazione differenziale. uno schema di di tensione che operazionale in A0, configurato separazione tra il operazionale in R3 Vr=1,5V R2 0% ÷ 100% Trasduttore di Umidità A1 A0 + + Vs1=1,5V÷ 4V VU=1,5V÷ 4V R2 Vo=0V÷5V R3 Fig. 8 Dimensionamento Vr, R3, R2 Vo = R3 ⋅ (Vs − Vr ) R2 a) U=0% Vs1=1,5V V0=0V b) U=100°C Vs1=4V V0=5V 0= R3 ⋅ (1,5 − Vr ) si ricava R2 5= R3 ⋅ (4 − 1,5) R2 R3=50 KΩ Ω R 5 = 3 2,5 R2 R2=25 KΩ Ω Vr=1,5V Condizionamento trasduttore di luminosità Soluzione con l’amplificatore per strumentazione Il trasduttore fornisce in resistenza variabile (500KΩ ÷ 1KΩ) in funzione dell’illuminamento (10 lux ÷ 1000 lux) (dati ricavati dal grafico assegnato, riportato in Fig. 9), è pertanto necessario utilizzare un convertitore R/V che condizioni il segnale affinché sia incluso nell’intervallo 0V÷5V richiesto dal convertitore interno del CB280. Nella Fig. 10 si propone uno schema di condizionamento con offset di tensione che utilizza una struttura a ponte ed un amplificatore per strumentazione INA111 (R=25KΩ).. Fig. 9 +Vcc 12V + 12V Rx RLux Vc2=0V÷ 5V + A 7 3 1 VAB RL 12 P26 CH2_A/D INA111 RG B 6 CB280 amplificatore per strumentazione RL 8 - 2 Fig. 10 4 5 -12V Dimensionamento ponte Il testo non impone nessuna condizione, si tralascia il calcolo della resistenza di linearizzazione e la massima corrente per RLux. Si pone RL=1,8MΩ ed Rx=RLux(10Lux). Con questa configurazione con 10 lux di illuminamento il ponte risulta in equilibrio (VAB=0V) Calcolo range di VAB a) Illuminamento =10Lux RLux=500KΩ b) Illuminamento RLux=1KΩ VAB = =1000Lux Vcc • RL Vcc • RL − RL + RLux (1000) RL + Rx 10 Lux ÷ 100 Lux VAB = Rx=500KΩ VAB=0V 12 • 1800 ⋅ 10 3 12 • 1800 ⋅ 10 3 − = 2,6V 1800 ⋅ 10 3 + 1 ⋅ 10 3 1800 ⋅ 10 3 + 500 ⋅ 10 3 VAB=0V ÷ 2,6V Calcolo guadagno G e RG dell’amplificatore per strumentazione INA111 G= VC 2 max 5 = = 1,923 VABMax − VABMin 2,6 − 0 RG = 2R 2 • 25 ⋅ 10 3 = = 54,17 KΩ G −1 1,923 − 1 La resistenza RG viene realizzata con una resistenza fissa da 22 KΩ con in serie un trimmer da 47KΩ ( Fig.11) Rx0 = 22KΩ P0= 47 KΩ ( TRIMMER ) Fig.11 Il trasduttore Deve risultare: Rx2 + P2/2 ≅ 54,17KΩ Rx2 P2 Soluzione con l’amplificatore differenziale fornisce in resistenza variabile (500KΩ ÷ 1KΩ) in funzione dell’illuminamento (10 lux ÷ 1000 lux) (dati ricavati dal grafico assegnato, riportato in Fig. 12), è pertanto necessario utilizzare un convertitore R/V che condizioni il segnale affinché sia incluso nell’intervallo 0V÷5V richiesto dal convertitore interno del CB280. Nella Fig. 13 si propone uno schema di condizionamento con offset di tensione che utilizza un amplificatore operazionale in configurazione differenziale. L’amplificatore operazionale A0, configurato come inseguitore, effettua la separazione tra il trasduttore e amplificatore operazionale in configurazione differenziale. Fig. 12 R3 10 Lux Vcc=+12V Vr=6V 1000 Lux R2 RLux - A1 A0 VRL + Vs2=6V÷ 11,97V + R2 R3 Fig. 13 RL Vo=0V÷5V Calcolo range di VRL (si pone RL=500K Vcc • RL RL + RLux a) Illuminamento =10Lux RLux=500KΩ RL=500KΩ VRL=6V b) Illuminamento =1000Lux RLux=1KΩ RL=500KΩ VRL=11,98 VRL = 10 Lux ÷ 100 Lux VAB=6V ÷ 11,98V Dimensionamento Vr, R3, R2 Vo = R3 ⋅ (Vs 2 − Vr ) R2 a) 10 Lux Vs2=6V V0=0V 0= R3 ⋅ (6 − Vr ) si ricava Vr=6V R2 b) 1000 Lux Vs2=11,98V V0=5V 5= R3 ⋅ (11,98 − 6) R2 R3=50 KΩ R 5 = 3 11,97 − 6 R2 R2=60 KΩ
