misura - Università Kore

Università degli studi di Enna
Facoltà di Ingegneria Telematica
Laboratorio di Elettronica
Misure e strumenti di
misura
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Perché misurare
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a) Determinare il costo degli oggetti;
b) Determinare la qualità di beni;
c) Storia;
Motivazione tecniche:
i) Prove di accettazione dei semilavorati (cambio componenti)
ii) Prove di verifica sulla qualità dei processi produttivi;
iii) Prove per la verifica sulla qualità dei prodotti finiti;
iv) Confronto tra prodotti di differenti fornitori.
Motivazioni scientifiche:
- Sperimentazione su fenomeno fisico
( Validare/monitorare il modello il fenomeno fisico)
Perché misurare
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In tutto ciò occorre un’intesa:
a) Su un’unità di misura e sul campione ( es per i pesi -> grammi)
b) Su un metodo di misura ( es. confronto diretto tra la grandezza da misurare e il
campione)
c) Sulle modalità di comunicare il risultato della misura (es. regola di scrittura +
incertezza)
MISURARE = ACQUISIRE e COMUNICARE informazioni oggettive sul mondo fisico
Il risultato della misurazione si chiama MISURA
La misura è definita quando sono dichiarati:
- Valore numerico stimato;
- Unità di misura;
- Intervallo di valori che può assumere il valore stimato.
Il procedimento con cui si misura si chiama MISURAZIONE
La misura
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La misura associa dei valori numeri alle proprietà e/o alle caratteristiche di oggetti o
fenomeni fisici al fine di descriverli in modo quantitativo:
Es:
Volume di un solido = 3,2 ± 0,1 cm3
Tensione a vuoto di una batteria = 6,6 ± 0,2 V
Resistenza di un resistore = 10,5 ± 0,1 Ω
Valore numerico + Intervallo dei valori che può assumere + unità di misura
Cifre significative e incertezza
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L’ultima cifra indicata nelle misura deve essere dello stesso ordine di grandezza
dell’incertezza:
Es:
Tensione a vuoto di una batteria = 6,6V-> 6,6 ± 0,2 V con incertezza di 0,2V
Oppure:
Tensione a vuoto di una batteria =6V -> 6 ± 1 V con incertezza di 1V
Oppure:
Tensione a vuoto =40V -> 40 ± 10 V con incertezza di 10V
Nei calcoli usare più cifre significative rispetto a quelle richieste per il risultato finale;
L’arrotondamento è bene farlo per i calcoli.
Incertezza
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Ad ogni misura è associata un’incertezza, ovvero:
1. L’ampiezza della fascia di valore all’interno della quale si stima sia collocato il valore
misurato;
2. L’incertezza indica altresì quanto è significativa la misura effettuata;
3. L’incertezza deve essere:
a. Stimata dallo sperimentatore;
b. comunicata.
Attori coinvolti
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Su ogni misurazione sono coinvolti diversi attori:
a. Il misurando ( modello della grandezza che si vuole misurare)
b. Parametri ambientali (temperatura, umidità, disturbi di varia natura);
c. L’operatore;
d. Il metodo di misurazione e la procedura utilizzata;
e. Il campione di riferimento;
Grandezze di influenza
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Sono le grandezze coinvolte nel processo di misurazione che:
i)
Sono diverse dal misurando;
ii)
La cui variazione altera in modo significativo il risultato della misura
L’incertezza
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A causa dell’incertezza:
Il risultato non coincide con il valore di misura che idealmente vorremmo misurare
Si ha dunque un errore (scarto, scostamento), se si ripetono le misurazioni, si ha una
dispersione dei valori che possono essere trattati con metodi probabilistici
Dove:
Metodi di espressione dell’incertezza
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Viene indicata la semiampiezza della fascia di incertezza
centrata intorno al valore di misura:
Questa può essere espressa:
a. Valore assoluto es= I=3,2 ± 0,2 A
b. Valore relativo %:
f= e/I0 X 100
Sicurezza Elettrica in Laboratorio
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Pericolosità della corrente elettrica
• Isolamento, massa, contatti
• Interruttore differenziale
• Marchi IMQ e CE
• Soccorsi d’urgenza
Pericolosità della corrente elettrica
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-Solitamente si è abituati a far riferimento alla tensione quale
causa dei danni (infatti si leggono o si ascoltano frasi del tipo:
"... è rimasto folgorato da una scarica a 20.000 volt")
-In realtà, anche se è dalla tensione che parte il meccanismo,
quella che produce direttamente i danni è la corrente.
-E’ la corrente elettrica che, attraversando il corpo umano,
provoca danni in funzione del suo valore e della durata del
fenomeno.
Conseguenze scarica elettrica
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i) La tetanizzazione si ha quando i muscoli rimangono contratti
fino a quando il passaggio di corrente elettrica non cessa: il
soggetto è incapace di eseguire movimenti può rimanere
attaccato alla parte in tensione;
ii) Per correnti più alte può intervenire l'arresto della
respirazione;
iii) Il cuore funziona grazie a stimoli elettrici, pertanto una
corrente elettrica esterna può alterare il suo funzionamento fino
alla fibrillazione ventricolare (mortale);
iv) La corrente elettrica, per effetto Joule, riscalda le
parti attraversate provocando ustioni.
Conseguenze scarica elettrica
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Frequenza compresa
tra i 15 e i 100 Hz
zona 1 - al di sotto di 0,5 mA la
corrente elettrica non viene
percepita
• zona 2 - la corrente elettrica
viene percepita senza effetti
dannosi
• zona 3 - si possono avere
tetanizzazione e disturbi
reversibili al cuore, aumento
della pressione sanguigna,
difficoltà di respirazione
• zona 4 - si può arrivare alla
fibrillazione ventricolare e alle
ustioni
Modello circuitale di un corpo umano
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Circuitalmente, in modo semplificato, il corpo umano
può essere rappresentato tramite quattro resistenze
• Per gli effetti sul cuore bisogna tener conto anche del percorso
della corrente
• Ad esempio, tra i più pericolosi, abbiamo i percorsi mano
sinistra-torace, mano destra-torace, mani-piedi, mano-mano
Modello circuitale di un corpo umano
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Il valore della corrente elettrica dipende anche dalla
resistenza che il corpo umano oppone
Questa diminuisce:
– se la pelle è umida o in presenza di ferite;
– aumentando la pressione del contatto;
– aumentando la superficie di contatto;
• La resistenza aumenta in presenza di zone callose
Si possono ritenere come livelli di sicurezza dai
25 V ai 50 V in funzione delle situazioni
Stima della corrente
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Il valore della corrente Iu si può calcolare
utilizzando il generatore equivalente di
tensione (Thévénin) visto dai due punti di
contatto della persona con il sistema
• L’impedenza Zu dipende dal percorso
attraverso il corpo e dalle impedenze di
contatto
• Le caratteristiche del generatore di
Thévénin, ETh e ZTh, dipendono dal tipo
di contatto e dal tipo di sistema elettrico.
Stima della corrente
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Il valore di corrente pericolosa si ricava dalla
curva di sicurezza per la corrente
• Per averne un’idea, si può ricordare che in c.a.
una corrente di valore efficace Iu= 50 mA,
non può essere sopportata senza pericolo per
più di 1 s
• Facendo ipotesi semplificative sulla resistenza
del corpo umano e sulle impedenze di contatto
(R=2-3 kΩ), si può stimare che in c.a. una
tensione maggiore di 50V ( 25V in particolari
condizioni) non può essere tollerata per più di
4-5 s.
Isolamento e Massa
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TIPI DI ISOLAMENTO
• L'isolamento elettrico impedisce che le parti in tensione vengano in contatto con
altre parti conduttrici.
• Per aumentare il livello di sicurezza si può aggiungere un isolamento
supplementare, che ci protegga anche in caso di cedimento di quello principale,
ottenendo il doppio isolamento
• Grado di protezione: IPYX (YX da 0 a 9)
Ygrado di protezione ai corpi estranei
Xgrado di protezione contro i liquidi
MASSA
• E' definita massa una qualunque parte metallica facente parte dell'impianto
elettrico e normalmente non in tensione, ma che si può trovare in tensione a causa
del cedimento dell'isolamento principale.
• Una massa è, ad esempio, la carcassa della lavatrice.
Isolamento e Massa
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Isolamento e Massa
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Isolamento e Massa
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I cavi che conducono la corrente elettrica sono generalmente due: la
fase e il neutro
• In condizioni normali la corrente che li percorre è uguale (la corrente dalla
fase, percorre i vari carichi e si richiude sul neutro)
• A questi due conduttori si affianca un terzo conduttore di norma con guaina
giallo/verde che costituisce il conduttore di terra
• Se le correnti su fase e neutro non sono uguali significa che una parte di
essa sta percorrendo strade diverse, come il corpo umano in caso di scossa
elettrica (contatto diretto) o per cedimento dell'isolante, ad esempio, di un
elettrodomestico collegato all'impianto di terra.
Interruttore differenziale
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L'interruttore differenziale (detto anche
salvavita) confronta continuamente la corrente A
entrante con quella uscente C e scatta,
interrompendo il circuito, quando avverte che la
differenza tra le correnti B=A-C è superiore alla
sua soglia di sensibilità Iδn
• L'interruttore differenziale, presente nel quadro
elettrico di un impianto domestico, deve avere
una sensibilità ≤30 mA
E’ facilmente riconoscibile per la presenza di un
pulsante, utile per verificarne l’efficienza,
contrassegnato dalla lettera T
• Prima di richiudere l'interruttore bisogna, quindi,
stare attenti alle cause che hanno provocato
l’apertura
• Un impianto elettrico se vecchio ha delle
dispersioni di corrente
MARCHI "IMQ" E "CE"
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• Il marchio IMQ è rilasciato, su richiesta del costruttore,
dall‘Istituto Italiano del Marchio di Qualità e indica la conformità del
prodotto alle norme CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano)
• Il marchio CE viene apposto, invece, dal produttore che così
dichiara la conformità ai requisiti essenziali di sicurezza previsti
dalle corrispondenti direttive europee
Soccorsi di urgenza
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NON TOCCARE
– Non toccare il colpito se non si è ben sicuri che il medesimo non è più in
contatto o immediatamente vicino alle parti in tensione
– In caso contrario togliere tensione
– Qualora il circuito non possa essere prontamente interrotto, isolare
adeguatamente la propria persona con guanti isolanti, panni asciutti, ecc.
– In alternativa allontanare dall'infortunato con un solo movimento rapido e
deciso la parte in tensione, usando pezzi di legno secco o altri oggetti in
materiale isolante
AZIONE IMMEDIATA
– E' indispensabile quando la folgorazione compromette l'attività della
respirazione e del cuore
– Se il colpito non viene soccorso entro 3 o 4 minuti, può subire conseguenze
irreparabili
– Accertare innanzitutto che l'infortunato sia fuori
dal contatto con le parti in tensione
– Chiamare immediatamente i soccorsi (tel. 118)
Strumenti di laboratori
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Multimetro digitale
Multimetro digitale permette di misurare:
•Tensione continiua
•Tensione alternata
•Corrente continua
•Corrente alternata
•Continuità dei circuiti
•Valore di una resistenza
•La capacità di un condensatore
•Il fattore beta dei transistori
•La temperatura
•Livello di illuminamento
•L’umidità relativa
Strumenti di laboratori
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Oscilloscopio digitale
Oscilloscopio digitale permette di:
•Visualizzare l’andamento del segnale nel
tempo
• Effettuare misure di tensioni (poco precise)
• Effettuare misure di frequenza
• Effettuare misure di sfasamento tra due
segnali
…
Strumenti di laboratori
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L' oscilloscopio è essenzialmente un dispositivo che consente
di visualizzare fenomeni elettrici, il cui andamento nel tempo
è riprodotto su un LCD.
Di questi fenomeni si possono essenzialmente rilevare
l'ampiezza, la durata e la frequenza. Dopo il tester, in
campo elettronico, l'oscilloscopio è probabilmente il più
diffuso strumento per la visualizzazione, la misura e l'analisi
di fenomeni elettrici e non solo, poichè usando appositi
trasduttori quasi tutti i fenomeni fisici si possono riportare a
grandezze elettriche e sono quindi misurabili con questo
strumento.
L'asse Y rappresenta la tensione, asse X , rappresenta il
tempo.
Strumenti di laboratori
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Con l’oscilloscopio è possibile:
1) Determinare direttamente il periodo e l'ampiezza di un
segnale;
2) Determinare indirettamente la frequenza di un segnale.
3)Determinare la componente DC e AC di un segnale.
4)Localizzare avarie in un circuito.
5) Misurare l'angolo di fase tra due segnali. (sfasamento tra
due segnali)
6)Determinare quale parte del segnale è rumore e come
varia nel tempo.
Strumenti di laboratori
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L’oscilloscopio digitale, è costituito da un sistema abile al processamento dei dati che
permette di immagazzinare e visualizzare il segnale.
Il segnale in ingresso viene così campionato. Dopo la campionatura il segnale subisce una
conversione analogica/digitale (A/D), ed è importante sottolineare che la velocità di tale
operazione determina la bontà di risoluzione dello strumento. Il segnale viene quindi
convertito in una parola binaria e successivamente memorizzato nella memoria RAM. Da
questa lo si preleva quando si desidera analizzarlo e lo si invia in un circuito di riconversione
digitale/analogico (D/A) e da qui all'asse Y dell'oscilloscopio
Strumenti di laboratori
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Oscilloscopio digitale
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Quando si connette la sonda di un oscilloscopio digitale ad un circuito, la sezione
verticale aggiusta l'ampiezza del segnale. Il convertitore analogico-digitale del sistema
di acquisizione dati campiona il segnale a intervalli di tempo determinati e converte il
segnale in tensione continua in una serie di valori digitali chiamati punti di
campionamento. Nella sezione orizzontale un segnale di clock determina quando il
convertitore A/D prende un campione. La velocità di questo clock viene chiamata
velocità di campionamento e viene indicata in campioni al secondo
Oscilloscopio digitale
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I valori digitali campionati vengono immagazzinati in una memoria come punti del segnale.
L'insieme del numero di punti del segnale costituirà un "pacchetto" che verrà utilizzato per
ricostruire il segnale sullo schermo. La sezione di trigger determina l'inizio e la fine del
"pacchetto" di punti utilizzati per rappresentare il segnale.
Per poter effettuare misure accurate è sempre indispensabile aggiustare il commutatore di
ampiezza AMPL., della base dei tempi TIMEBASE e del trigger.
Il metodo standard di campionamento in un oscilloscopio digitale è il campionamento in
tempo reale: l'oscilloscopio cattura e riunisce un sufficiente numero di punti per ricostruire il
segnale. Questo tipo di campionamento è l'unico utilizzabile per analizzare segnali
transitori o non ripetitivi.. Gli oscilloscopi utilizzano la interpolazione per poter visualizzare
segnali che sono troppo veloci rispetto alla velocità di campionamento.
Oscilloscopio digitale
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Le sonde sono componenti essenziali dell'oscilloscopio e sono
costituite da un cavo coassiale munito di un apposito connettore. Il
loro ruolo è di fare in modo che il segnale visualizzato sullo schermo
dello strumento sia il più possibile conforme a quello prelevato dal
circuito, senza disturbi o distorsioni tali da rendere inattendibile la
misura.
Per maggiore comodità d'uso sono state introdotte sonde speciali
dotate di un commutatore che permette di utilizzarle in posizione 1X
o 10X. Quando si utilizza questo tipo di sonda bisogna sempre
assicurarsi della posizione del commutatore prima di eseguire una
misura, per evitare grossolani errori. Nel caso di misura su frequenze
molto elevate sono disponibili sonde speciali basate su circuiti molto
complessi comprendenti anche induttanze, trimmer e condensatori
variabili.
Oscilloscopio digitale
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Oscilloscopio digitale
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Compensazione della sonda:
Prima di utilizzare una sonda è necessario fare un aggiustamento nel trimmer della
sonda per fare in modo che il segnale proveniente dal circuito venga trasferito senza
alterazioni all'ingresso dell'oscilloscopio.
Questa operazione serve a compensare l'effetto delle capacità parassite che
intervengono all'aumentare della frequenza.
Questa operazione denominata compensazione viene fatta nel seguente modo:
1. Collegare il BNC della sonda all'ingresso del canale
2. Prelevare con il puntale della sonda il segnale di riferimento a 1KHz dal
calibratore dello strumento (sorgente di segnale ad onda quadra) per poter
effetuare la calibrazione.
3. Connettere la pinza a coccodrillo della sonda a massa.
4. Ora osservare attentamente il segnale ad onda quadra presente sullo schermo.
5. Se la traccia non risultasse perfetta, agire con il cacciavite in dotazione sul
compensatore della sonda, ruotando a destra o a sinistra fino ad ottenere una
forma d'onda quadra.
Forme d’onda
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E' possibile classificare le forme d'onda nei seguenti tipi:
Onda sinusoidale e onda smorzata
Onda quadra e rettangolare
Onda triangolare e a dente di sega
Onda arbitraria
Forme d’onda
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Strumenti di laboratori
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Generatore di funzioni
Permette la generazione di
•Segnali Sinusoidali
• Onde quadre
• Dente di sega
• Segnali custom
Definendone frequenza/periodo, Ampiezza
picco picco e offset
Strumenti di laboratori
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Breadboard
Una breadboard (o anche detta basetta
sperimentale) è uno strumento utilizzato per
creare prototipi di circuiti elettrici
Struttura dei collegamenti
Resistenza
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Resistenze: Codice dei colori