Strumentazione

MATERIALI E TECNOLOGIE AVANZATE
NELLA RICERCA E NELL’INDUSTRIA
Genova 5-8 Giugno 2001
STRUMENTAZIONE DI MISURA
(G. Baccaglioni)
Sommario

Significato del misurare

Obbiettività
- Unità fondamentali e derivate
- Accenni alla legislazione e SIT

Metodi di misura
- Errori di misura
- Richiami di fenomenologia
- I sensori e circuiti di misura

Strumentazione e sensori criogenici:
-
Temperatura
Deformazione
Livello
Portata
Pressione
1
MISURA = CONFRONTO
(OBBIETTIVO e RAGIONEVOLE)
Nella sua lunga storia l’uomo si è dovuto sempre confrontare/
misurare con l’universo che lo circonda.
I fenomeni fisici, dai più evidenti a quelli più nascosti, lo
incuriosiscono e affascinano ed egli ha cercato e cerca di
controllarli anche per salvaguardare la sua stessa esistenza.
Nel corso di questa breve carrellata che non potrà essere
esaustiva data la vastità dell’argomento ed i limiti di tempo,
vedremo come oggi, usando molta dell’esperienza del passato, si
“prende atto” di alcuni fenomeni di tipo:
 Termodinamico
 meccanico
 elettrico…..
Vedremo gli effetti di tali fenomeni su alcuni corpi materiali alle
basse temperature e come alcune grandezze possono essere
misurate.
2
OBBIETTIVITA’
della misura
(METROLOGIA)
Il primo strumento di misura a disposizione dell’uomo è il suo corpo
i suoi sensi sono deputati a questo.
Non a caso molte unità di misura del passato facevano riferimento
a parti del corpo umano ( braccio, piede, pollice ecc..).
Credo però che nessuno di noi farebbe affidamento su:
 una pesata fatta “ a mano ”
 la misura di una distanza “ a occhio ”
 una temperatura misurata con le labbra o le dita.
Il risultato di una misurazione è sempre fornito come prodotto di un
valore numerico e di un'unità di misura.
Per arrivare a misure obbiettive nel tempo e nello spazio l’uomo, sia
pure con un faticoso lavoro di unificazione, che è in continua
evoluzione, si è dotato di una certo numero di grandezze campione.
Il sistema di unità di misura oggi universalmente adottato è il
Sistema Internazionale (SI), che utilizza sette unità fondamentali
dalle quali sono derivate molte altre di uso comune nel campo
scientifico, industriale e nella vita di tutti i giorni.
Leggi e Norme specifiche sono state elaborate per confermare
l’importanza che si attribuisce: ai campioni, alla loro gestione, alle
metodologie di costruzione degli strumenti di misura e alle
procedure di prova.
3
Tabella 1-
Unità SI di base
Grandezza
Unità SI
nome
Lunghezza
Massa
Tempo
Intensità di corrente elettrica
Temperatura termodinamica
Quantità di sostanza
UNITA' DI INTENSITA' LUMINOSA
metro
kilogrammo
secondo
ampere
kelvin
mole
candela,
simbolo
m
kg
s
A
K
mol
cd
UNITA' DI LUNGHEZZA: "il metro è la lunghezza del tragitto compiuto dalla luce nel
vuoto in un intervallo di tempo di 1/299 792 458 di secondo"; è così fissata, per
definizione, la velocità della luce in 299 792 458 m/s
UNITA' DI MASSA : "il kilogrammo è l'unità di massa ed è eguale alla massa del
prototipo internazionale": Il prototipo internazionale, cilindro di platino iridio, è conservato
presso il BIPM (Bureau International des Poids et mesures)"
UNITA' DI TEMPO : "il secondo è l'intervallo di tempo che contiene 9.192.631.770 periodi
della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato
fondamentale dell'atomo di cesio 133"
UNITA' DI CORRENTE ELETTRICA: "l'ampere è l'intensità di corrente elettrica che,
mantenuta costante in due conduttori paralleli, di lunghezza infinita, di sezione circolare
trascurabile e posti alla distanza di un metro l'uno dall'altro, nel vuoto, produrrebbe tra i
due conduttori la forza di 2x10-7 newton per ogni metro di lunghezza"
UNITA' DI TEMPERATURA TERMODINAMICA: "il kelvin, unità di temperatura
termodinamica, è la frazione 1/273,16 della temperatura termodinamica del punto triplo
dell'acqua. " La temperatura termodinamica si indica con il simbolo T; il valore numerico
della temperatura Celsius (indicata con t) in gradi celsius è data da: t/°C = T/K-273,15.
UNITA' DI QUANTITA' DI SOSTANZA: “la mole è la quantità di sostanza di un sistema
che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio 12. Le
entità elementari devono essere specificate e possono essere atomi, molecole, ioni,
elettroni, ecc, ovvero gruppi specificati di tali particelle". In questa definizione va inteso che
gli atomi di carbonio 12 sono non legati e nello stato fondamentale.
UNITA' DI INTENSITA' LUMINOSA: "la candela è l'intensità luminosa, in una data
direzione, di una sorgente che emette una radiazione monocromatica di frequenza 540 x
1012 hertz e la cui intensità energetica in quella direzione è 1/683 watt allo steradiante"
4
Tabella 2
Grandezza
- Unità SI derivate
Unità SI
Espressione Espressione
in funzione in funzione
di altre
delle unità SI
Nome
Simbolo
hertz
Hz
s-1
Forza
newton
N
m·kg·s-2
Pressione
pascal
Pa
N/m2
m-1·kg·s-2
Energia, lavoro, quantità di
calore
joule
J
N·m
m2·kg·s-2
Potenza, flusso Energetico
watt
W
J/s
m2·kg·s-3
coulomb
C
volt
V
W/A
m2·kg·s3·A-1
Capacità elettrica
farad
F
C/V
m-2·kg-1·s4·A2
Resistenza elettrica
ohm

V/A
m2·kg·s-3·A-2
siemens
S
A/V
m-2·kg-1·s3·A2
weber
Wb
V·s
m2·kg·s-2·A-1
Induzione magnetica
tesla
T
Wb/m2
kg·s-2·A-1
Induttanza
henry
H
Wb/A
m2·kg·s-2·A-2
Flusso luminoso
lumen
Lm
lux
Lx
Becquerel
Bq
gray
Gy
J/kg
m2·s-2
sievert
Sv
J/kg
m2·s-2
katal
Kat
mol/s
mol/s
Frequenza
Carica elettrica
Potenziale elettrico,tensione
elettrica
Conduttanza elettrica
Flusso d'induzione magnetica
Illuminamento
Attività (di un radionuclide)
Dose assorbita
Equivalente di dose
Attività catalitica
unità SI
Fondamentali
s·A
cd·sr
lm/m2
m-2·cd·sr
s-1
5
NORME RELATIVE ALLA METROLOGIA
Decreti e leggi


Decreto Legislativo 476/92 (compatibilità elettromagnetica)
Decreto Legislativo. 626/ 1994. Attuazione della Direttiva Macchine CEE 89/391 ed altre…




Decreto del Presidente della Repubblica n.789 del 12 agosto 1982, Attuazione della
direttiva (CEE) n. 71/316 relativa alle disposizioni comuni agli strumenti di misura ed ai
metodi di controllo metrologico
Decreto del Presidente della Repubblica n. 802 del 12 agosto 1982: Attuazione della
direttiva (CEE) n. 80/181 relativa alle unità di misura
Legge 11 agosto 1991 n. 273: Istituzione del Sistema Nazionale di Taratura (SIT)
Decreto Ministeriale 30 novembre 1993 n. 591: Regolamento concernente la
determinazione dei campioni nazionali di talune unità di misura del Sistema Internazionale
(SI) in attuazione dell' art. 3 della legge 11 agosto 1991, n. 273
Sistema Nazionale di Taratura
La legge n. 273 dell’ 11/8/1991 istituisce il Sistema Nazionale di Taratura che è costituito
dagli istituti metrologici primari e dai centri di taratura ed ha il compito di assicurare la
riferibilità dei risultati delle misurazioni ai campioni nazionali. Svolgono funzioni di istituti
metrologici primari:

L’ Istituto di Metrologia "G. Colonnetti" (IMGC) del Consiglio Nazionale delle
Ricerche, per i campioni nazionali delle unità di misura impiegate nel campo della
meccanica e della termologia.

L’ Istituto Elettrotecnico Nazionale "G. Ferraris" (IEN), per i campioni nazionali delle
unità di misura di tempo, frequenza e per le unità di misura impiegate nel campo
dell’ elettricità, della fotometria, dell’ optometria e dell’ acustica.

L’ Ente per le Nuove tecnologie, l’ Energia e l’ Ambiente (ENEA), per i campioni
nazionali delle unità di misura impiegate nel campo delle radiazioni ionizzanti.
--------------------------------
E’ attiva presso l’UNI una : “COMMISSIONE METROLOGIA DELLA PORTATA,
PRESSIONE, TEMPERATURA” con campo di attività sui :
“Metodi e strumentazioni per la misurazione della portata dei fluidi in
condotte chiuse ed aperte, della pressione dei fluidi e della temperatura”
TC CEN DI COMPETENZA
 TC 92 Contatori d'acqua
 TC 141 Manometri - Termometri - Metodi di misurazione e/o registrazione
della temperatura nella catena del freddo
 TC 318 Idrometria
6
RAGIONEVOLEZZA
della misura
Si dice che la Tecnologia costituisca un:
“Ragionevole compromesso fra Costo e Produzione”
Penso che lo stesso criterio si debba utilizzare nella scelta del modo con cui
una misura debba essere eseguita.
Non tutte le misurazioni richiedono la medesima accuratezza: infatti non
sarebbe né ragionevole né pratico misurare il peso di un pacco di patate o
la lunghezza di un tappeto con la stessa accuratezza con la quale si misura
il peso di un diamante o il diametro del pistone di un motore d’automobile.
È stato necessario quindi stabilire nei campioni di misura una certa
gerarchia detta: catena di campionatura, secondo la quale la verifica
dell’affidabilità di un campione o della precisione e accuratezza di uno
strumento di misura viene condotta in base al confronto con un riferimento
più accurato, detto campione secondario, a sua volta confrontato con un
campione più accurato ancora, e così via sino ad arrivare ai campioni
primari (SIT).
Poiché ciascuna di queste verifiche introduce errori di misura, l'accuratezza
del campione di qualità superiore deve essere almeno dieci volte più grande
di quella del campione adottato.
Dobbiamo anche ricordare che un fenomeno fisico, nel momento
stesso in cui ci si appresta ad osservarlo, viene “perturbato” e che
secondo quanto postula il “Principio di Indeterminazione”, esiste un
limite naturale all’accuratezza della misura.
Infatti la meccanica quantistica associa alle quantità fisiche non un
valore esatto, ma il loro "valore più probabile" (Heisemberg).
Possiamo capire come l’esecuzione, ragionevolmente corretta,
di una misura non possa prescindere da una scelta di METODO.
7
METODO
Di esecuzione della misura
Dovrà tenere conto:
 del tipo di fenomeno o di grandezza da misurare
(termodinamico, elettrico, meccanico… )
 del tipo di incertezza o del grado di affidabilità richiesto
 delle condizioni ambientali in cui si effettua la misura
L'incertezza può derivare sia da effetti casuali, che si manifestano come
variazioni dei risultati ottenuti ripetendo una misurazione, sia da effetti
sistematici, in un certo senso intrinseci al procedimento usato, che quindi
non variano durante la misurazione, ma che possono comunque essere
causa di errori rilevanti.
Gli effetti casuali e l'errore che ne deriva possono essere ridotti con
l'applicazione di tecniche statistiche (Teoria degli Errori).
Gli effetti sistematici devono essere studiati e valutati in sede di misurazione
e dovrebbero essere sempre indicati chiaramente come parte del risultato.
Se l'errore casuale è piccolo la misura si dice precisa, ossia definita entro
limiti ristretti; se sia l'errore casuale sia quello sistematico sono piccoli,
allora la misura è accurata, cioè vicina al valore reale della grandezza in
esame.
Un parametro importante relativo alla misura è la risoluzione che identifica
la più piccola parte che il sistema di misura è in grado di apprezzare.
Riprenderemo tutto questo nel capitolo relativo alla strumentazione per
acquisizione dati.
8
RICHIAMI
Temperatura: grandezza fisica che esprime lo stato termico di un sistema e che
descrive la sua attitudine a scambiare calore con l'ambiente o con altri corpi. Quando due
sistemi sono posti a contatto termico, il calore fluisce dal sistema a temperatura maggiore
a quello a temperatura minore, fino al raggiungimento dell'equilibrio termico, in cui i due
sistemi si trovano alla stessa temperatura. Come vedremo esistono diverse scale
termometriche quantunque sia consigliato l’uso del Sistema Internazionale la cui unità è il
grado Kelvin “K”.
Calore: forma di energia che si trasferisce tra due corpi, o tra due parti di uno stesso
corpo, che si trovano in condizioni termiche diverse. Il calore è energia in transito: fluisce
sempre dai punti a temperatura maggiore a quelli a temperatura minore, finché non viene
raggiunto l'equilibrio termico. L’unità di misura nel Sistema InternazionaleI è il Joule “J”.
Pressione: rapporto tra la forza esercitata perpendicolarmente a una superficie e l'area
della superficie stessa. Una persona in posizione eretta esercita una pressione pari al
proprio peso diviso per l'area della superficie dei piedi a contatto col terreno. Nel Sistema
Internazionale l'unità di misura della pressione è il pascal “Pa”, che equivale alla
pressione esercitata perpendicolarmente dalla forza di un newton su una superficie di 1 m 2
LEGGI:
Elettrotecnica:
I^ legge di Ohm
II^ legge di Ohm
In corrente alternata ΔV=iZ
V=iR
R=rl/S
dove Z =√ R2+X2
in corrente continua
(r = r293 (1 + α T)
; XL=2πfL
XC=1/2πfC
Meccanica:
Un corpo, sollecitato a trazione o compressione se deformato elasticamente obbedisce
alla legge di Hooke:
E=Sforzo/Deformazione
dove E modulo di Young
Fornendo o sottraendo calore a un corpo o sollecitandolo meccanicamente, si producono
variazioni misurabili di alcune delle sue proprietà fisiche come:







variazione di pressione interna o di stato
calore specifico
conducibilità termica
dimensioni
resistenza elettrica
costante dielettrica
……ecc
la conoscenza approfondita di questi effetti ci permette di realizzare dei
SENSORI.
9
SENSORI
Dispositivi che rispondono alle variazioni di una grandezza da misurare
(quale pressione, temperatura, deformazione o altro..) con variazioni di una
loro proprietà, ad esempio: dimensioni, resistenza elettrica, capacità ecc.
La reazione viene convertita in un segnale elettrico che, direttamente o
elaborato ed amplificato da un apposito circuito elettronico, può essere
inviato a un sistema per la lettura, la registrazione o il controllo automatico
della grandezza rilevata.
I sensori possono essere attivi se generano un segnale elettrico
utilizzando particolari effetti fisici quali:
La piezoelettricità, proprietà di determinati materiali di generare correnti
elettriche se sottoposti a sollecitazioni meccaniche che consente di
realizzare accelerometri o manometri.
L’effetto termoelettrico delle termocoppie, costituite da due giunzioni tra fili
di metalli diversi, nelle quali una differenza di temperatura tra le due
giunzioni viene rilevata come una tensione elettrica.
L’effetto fotoelettrico, caratteristica di alcuni materiali di sviluppare corrente
se colpiti da fotoni.
I sensori sono invece passivi se subiscono una variazione di loro proprietà
quali: resistenza, induttanza o di capacità.
Le deformazioni possono così essere rilevate mediante estensimetri, nei
quali la dilatazione meccanica si tramuta in una variazione della resistenza
elettrica o della capacità. Analogamente, la resistenza del termistore (uno
speciale resistore) varia con la temperatura. I sensori di prossimità, invece,
sfruttano la variazione dell'induttanza di piccole bobine al variare della
distanza da un materiale ferromagnetico.
Per convertire infine le variazioni di resistenza, induttanza o capacità in
segnali elettrici, si utilizzano varie tipologie di circuiti.
10
Metodi utilizzabili per la misura di resistenze di valore medio
(da 1 A 1M ), in corrente continua
B
R1
Rx
Rx
A
C
G
A
V
R2
R3
D
Rx=V/I
I
Se VB=VD
Rx=R1*R3/R2
I
Voltamperometrico
Ponte di Wheatstone
Metodi utilizzabili per la misura di capacità
R2
R1
Cx
A
C
A
T
V
f
I
Cx
Cc
Rx
R3
D
Cx=I/2 fV=I/ V
I
Se VB=VD
Rx=R2/R1*Rc
Cx=R1/ R2*Cc
Voltamperometrico e
frequenzimetro
Ponte di De Sauty-Wien
Figura 1– Alcune
tipologie di circuiti di misura
11
STRUMENTAZIONE
(Termometrica barometrica meccanica elettrica)
Lo strumento atto a misurare la temperatura di un corpo e' il termometro. Di
cui esitono varie tipologie: a liquido e a gas, elettrici, meccanici, ecc
Nelle figure 2-3-4 e tabelle sottostanti sono rappresentate alcune scale
termometriche , vari tipi di termometro ed i punti fissi per la taratura dei
termometri stessi.
Figura 2
Scale termometriche e
termometro a liquido
L'illustrazione mostra in forma
estremamente semplificata il
diagramma di stato dell'acqua in
funzione della pressione e della
temperatura. In corrispondenza
del punto triplo, vale a dire alla
temperatura di 0,01 °C e alla
pressione di 610,6 Pa, le tre
fasi solida, liquida e gassosa
coesistono.
Figura 3 –
Diagramma di stato dell'acqua
Oltre al punto triplo dell’acqua vengono utilizzati altri punti di riferimento come da Tabella 3
12
In alcuni casi i punti di equilibrio sono fra la fase liquida e gassosa
Tabella 3 – Punti
di riferimento per taratura dei termometri
secondo “ITS 90”
ELEMENTO
Rame
Oro
Argento
Zinco
Acqua
Acqua
Ossigeno
Ossigeno
Neon
Idrogeno
Idrogeno
Idrogeno
Elio
Stato di
Equilibrio
Temperatura
K
Solido/Liquido
Solido/liquido
Solido/ Liquido
Solido /Liquido
Liquido/Vapore
Solido/Liquido/Vapore
Liquido/vapore
Solido/Liquido/Vapore
Liquido/vapore
Liquido/Vapore
Liquido/Vapore
Solido/Liquido/Vapore
Vapore
1357.77
1337,58
1235,08
692,73
373,15
273,16
90,188
54,361
27,402
20,28
17,042
13,81
da 3 a 5
Temperatura Pressione
°C
Pa
1084.62
1064,42
961,93
419,58
100
0,01
-182,902
-218,789
-246,048
-252,87
-256,108
-259,34
da -271,15
a -268,15
101.325
101.325
101.325
101.325
101.325
101.325
101.325
101.325
101.325
101.325
33.330
101.325
varie
b)
a)
Figura 4 – a) Termometro a bimetallo, b) termometri a resistenza
(WIKA)
13
Barometri / Manometri / Vacuometri
La misura della pressione di un aeriforme è detta “ASSOLUTA” quando esprime il valore
al disopra di una pressione di riferimento nulla (corrispondente allo zero assoluto delle
temperature); è detta “RELATIVA” quando usa la pressione atmosferica come grandezza
di riferimento.
Gli strumenti per la misura delle pressioni sono comunemente distinti in:
 barometri - per la misura della pressione atmosferica
 manometri - per misurare pressioni superiori a quella atmosferica
 vacuometri - per misurare le pressioni inferiori a quella atmosferica.
Nelle figure da 5 a 10 sono illustrati vari tipi di misuratori di pressione
Figura 5
Barometro di Torricelli
dà :
Figura 6 -
Barometro di Fortin
dove
.
14
Nel barometro di Torricelli si ha l'inconveniente che il livello del mercurio nella vaschetta
varia al variare del livello del mercurio nel tubo, spostando il punto di partenza della
graduazione. Tale inconveniente viene eliminato nel barometro Fortin di figura 5 dove,
attraverso una opportuna vite di pressione (a) agente sul fondo flessibile della vaschetta
(b) , è possibile portare sempre il livello del mercurio a sfiorare una punta d'avorio (c)
fissata al disco che chiude superiormente la vaschetta. Il tubo barometrico (d) pesca nella
vaschetta attraverso un foro praticato nel disco ed è protetto da una custodia metallica
fissa sulla quale è incisa una graduazione il cui zero corrisponde alla punta d'avorio.
Attraverso un nonio scorrevole lungo una fessura di visione praticata sulla custodia
metallica del tubo barometrico, è possibile fare letture con approssimazioni di 1/10 o 1/20
di mm. Per differenze di pressione maggiori di quella atmosferica sono diffusi i manometri
a molla tubolare, o manometri di Bourdon, dal nome dell’inventore, il francese Eugène
Bourdon. Esso consiste di un tubo metallico cavo a sezione ellittica piegato a uncino:
un'estremità del tubo è chiusa, l'altra è aperta. Se si applica a questa estremità una
pressione (oltre a quella atmosferica), la sezione ellittica si deforma leggermente,
avvicinandosi sempre più alla forma circolare, e nello stesso tempo il tubo si allunga
leggermente. All'estremità chiusa si ottiene un movimento, proporzionale alla pressione
applicata, che si può misurare su una scala opportunamente calibrata. I manometri
progettati per registrare rapide fluttuazioni di pressione sfruttano generalmente sensori
piezoelettrici o elettrostatici, che riescono a seguire le variazioni con una risposta
pressoché istantanea.
Figura 8
Figura 7
Barometro olosterico
Barometro a molla di Bourdon
Per misure rapide sono utilizzati i barometri metallici che richiedono una preliminare
taratura con un barometro a mercurio. Un esempio ne è Il barometro olosterico; costituito
da una scatola metallica vuota internamente e chiusa superiormente da una superficie
flessibile e ondulata per aumentare la superficie esposta.
Le deformazioni subite dal coperchio, dovute alla pressione atmosferica, sono equilibrate
da una molla elastica e, dopo essere state opportunamente amplificate, trasmesse ad un
indice che si muove su un quadrante. Le variazioni di pressione atmosferica producono
15
quindi spostamenti dell'indice che, una volta tarato attraverso un barometro a mercurio,
permette una lettura diretta della della pressione (anche se la misura è indiretta). Sullo
stesso principio funzionano anche i moderni misuratori di pressione a celle di
carico o piezoresistivi nei quali l’elemento sensibile sostituisce l’indice. Il segnale
opportunamemnte amplificato ed elaborato permette di rilevare pressioni in un
campo molto ampio da pochi hPa a centinaia di MPa con grandi accuratezze.
a) Manometro (WIKA)
b) Trasduttore (KPSI)
c) Indicatore (WIKA)
Figura 9 – a)Manometro da pannello a molla Bourbon,
b) trasduttore di pressione, c) indicatore digitale
Per misurare bassi valori della pressione assoluta di un gas (fino a 10-4 Pa) si usa il
manometro di McLeod: si comprime un volume noto di gas – di cui si vuole determinare la
pressione – con una trasformazione isoterma, che ne riduca notevolmente il volume; se ne
misura la pressione con un comune manometro, e si risale alla pressione iniziale incognita
utilizzando la legge di Boyle. Per pressioni ancora minori, si usano manometri che
sfruttano fenomeni che coinvolgono effetti: molecolari. di radiazione termica, di
ionizzazione (Fig 10)
Pirani Gauge
Figura 10
Vacuum Controller (Penning
& Pirani)
– Misuratori di vuoto elettronici
La strumentazione di misura per: temperatura, deformazione, livello e portata sarà
illustrata nel capitolo che riguarda i componenti specifici per la criogenia
16
STRUMENTAZIONE PER
ACQUISIZIONE DATI
Prima dell’avvento del computer, i dati erano registrati manualmente o su registratori a carta. Da
alcuni anni con la diffusione dei microprocessori è stata introdotta una nuova generazione di
prodotti per l’acquisizione dati che consentono, in tempo reale: l’acquisizione, l’analisi, la
memorizzazione e la presentazione dei dati tramite un PC.
Questo progresso tecnologico, rendendo più facile e comoda l’acquisizione la gestione e la
memorizzazione dei dati, ci ha trasportato dal vecchio mondo "analogico" ad un nuovo mondo
"digitale". Ecco quindi l’esigenza di capire come questo processo avviene ed a quali risultati
conduce. In mancanza di una comprensione del meccanismo che sta alla base della
dell’acquisizione dei segnali, i dati registrati possono divenire del tutto diversi dal segnale
originale. La validità e la qualità dei dati acquisiti è invece essenziale: una cattiva qualità porta a
risultati errati, vanifica tutte le analisi successive e costituisce solo un grande spreco di tempo ed
energia.
FATTORI CHE INFLUENZANO LA MISURA
Il processo di acquisizione dati inizia con il fenomeno fisico che il SENSORE va a captare nel
mondo reale: per esempio, una termoresistenza (RTD) è sensibile alla temperatura e produce
una variazione analogica ai suoi capi che l’hardware (convertitore A/D) trasforma in una serie di
valori digitali che possono essere direttamente elaborati dal computer.
Per ottenere misure accurate quanto a noi necessita con un sistema di acquisizione basato su PC
è necessario esaminare preventivamente alcuni importanti fattori, tra cui :
1. velocità di campionamento
2. risoluzione
3. scelta del fondo scala
4. errori di guadagno, di offset, di linearità e deriva
5. livello di rumore
1 - Velocità di campionamento
Dall’istante in cui del segnale analogico di partenza è convertito (A/D), questo si trasforma in una
serie di valori digitali discreti: non abbiamo quindi più a disposizione il segnale originale ma solo la
serie di punti che sono stati campionati che dovrebbero fornire una rappresentazione corretta del
segnale di origine.
Questa rappresentazione non sarà invece per nulla corretta nel caso in cui la cadenza del
campionamento effettuato sia stata inferiore alla frequenza del segnale campionato.
Il segnale acquisito riprodurrà anzi in questo caso una forma d’onda inesistente o fantasma
chiamata alias. Questo fenomeno è definito aliasing e l’errore connesso "errore di aliasing".
Il teorema di Nyquist afferma che, per non incorrere in questo tipo di errore, occorre campionare il
segnale da acquisire ad una cadenza almeno due volte superiore alla componente di massima
frequenza contenuta nel segnale analogico.
Quindi nel caso per esempio di un segnale d’ingresso di frequenza 100 Hz, la velocità di
campionamento dovrà essere superiore a 200 campioni/s.
Nella pratica corrente si usa campionare a valori almeno 3 o 5 volte superiori la frequenza
massima attesa del segnale analogico, cercando così di porsi in condizioni di relativa sicurezza
rispetto all’errore di aliasing. Ciò non mette però al riparo da possibili errori in quanto la sola vera
garanzia è rappresentata dall’uso di filtri antialiasing posti a monte del convertitore A/D.
17
Nei casi in cui si desideri ottenere, oltre una corretta informazione del contenuto in frequenza del
segnale analogico di partenza, anche una sua riproduzione temporale abbastanza fedele occorre
invece campionare ad almeno 10 volte la frequenza massima del segnale.
2 - Risoluzione
La risoluzione definisce la più piccola variazione nel segnale d’ingresso che il sistema di
acquisizione dati può misurare. Per una scheda dotata di convertitore analogico-digitale a 12 bit la
risoluzione vale 1/212 , che corrisponde a 1/4096 ovvero lo 0,024% del fondo scala selezionato.
Quindi, per una fondo scala da 0 a 10 Volt, la risoluzione è di 2,4 mV. Variazioni inferiori a questo
valore non sono rilevate dal convertitore A/D.
Un convertitore A/D a 16 bit può invece rilevare una parte in 65.536 ovvero lo 0,0015% del fondo
scala. Quindi per un fondo scala da 0 a 10 Volt, la risoluzione è di 0,15 mV.
3. - Scelta del fondo scala
Da quanto appena espresso, risulta quindi l’importanza di una corretta scelta del fondo scala per
ciascun canale in ingresso per ottimizzare la risoluzione finale, ovvero il più piccolo valore che il
sistema riesce a misurare.
Quale esempio estremo, la scelta di un fondo scala di 0-10 Volt per misurare un segnale di 50 mV
, ci fornisce una risoluzione di soli 2,4 mV che rappresenta circa il 5% del segnale misurato. Se
quel segnale proveniva da una termocoppia J, la risoluzione di temperatura sarebbe stata di soli
60°C.
La scelta di un fondo scala d’ingresso più sensibile, per es. da 0 a 50 mV, porterebbe ad una
risoluzione di 12 microVolt, che rappresenta un valore molto vicino a quella della termocoppia,
cioè 0,1 a 0,2°C.
In conclusione, è bene assicurarsi che il sistema di acquisizione sia impostato su un fondo scala
adeguato alla risoluzione richiesta dalla vostra applicazione.
4. - Errori di taratura (Sistematici)
I fattori che concorrono alle imprecisioni di misura sono molti. I più importanti sono i seguenti:
Errore del guadagno: Rappresenta una percentuale costante del valore d’ingresso nell’intero
campo di misura. Per esempio se il valore misurato di un segnale d’ingresso risulta 1,1 V e 2,2 V
per valori veri di 1,0 V e 2,0 V rispettivamente, l’errore del guadagno è del 10%. L’errore del
guadagno in genere tende a cambiare nel tempo con l’invecchiamento dei componenti a
semiconduttore.
Errore di offset: Rappresenta l’errore nel valore di misura a 0 V. Questo errore è costante
nell’intero campo di misura.
Errore di linearità: Esso è caratterizzato da un errore che non è proporzionale al segnale in
ingresso. La stessa variazione di 1 V produce per es. variazioni differenti se avviene tra 0 e 1 V
invece che tra 2 a 3 V.
Errore di deriva: Esso è causato da variazioni di temperatura o invecchiamento dei componenti,
che influiscono su guadagno, offset e linearità. La soluzione più semplice ed efficace di questi
problemi di misura è costituita dalla calibrazione periodica della scheda di acquisizione. Per
qualche tipo di scheda questo significa inviare la stessa al produttore, per altre è possibile, tramite
una tensione campione, calibrare manualmente la scheda agendo su dei potenziometri.
Le schede più avanzate dispongono di una sorgente di tensione molto precisa a bordo che viene
campionata ad intervalli definiti via software. In questo modo errori di guadagno, offset e linearità
possono essere corretti automaticamente.
5. - Rumore
Il rumore è un nemico subdolo delle misure di segnali analogici. Si può presentare in varie forme
ed è caratterizzato da un andamento casuale su tutti i campi di misura.
L’influenza del rumore è naturalmente maggiore per i segnali di basso livello, quali quelli da
estensimetri o termocoppie; questi segnali richiedono quindi particolari precauzioni per migliorare
il rapporto segnale/disturbo . Le fonti di rumore sono varie e numerose, tra le quali citiamo gli
alimentatori elettrici, lampade al neon, stazioni radio e computers. Il livello di rumore acquisito è
generalmente maggiore per le schede con alta velocità di campionamento, che, anche misurando
segnali lenti, acquisiranno rumore ad alta frequenza. Quando il livello picco-picco del rumore è
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superiore alla risoluzione della scheda allora non sarà possibile usufruire di tutta la risoluzione del
convertitore A/D.
Per migliorare questa situazione difficile, si può impiegare un sistema esterno di condizionamento
del segnale per filtrare a monte il rumore oppure scegliere un sistema di acquisizione dotato di un
convertitore ad alta reiezione di rumore come per es. il tipo ad integrazione. Il convertitore A/D ad
integrazione attenua infatti il rumore mediante un processo di integrazione del segnale d’ingresso
su un certo periodo di tempo mediandone così il valore.
Inoltre, quando si usano segnali a basso livello da termocoppie o estensimetri, è spesso decisivo
integrare il segnale sul periodo della corrente AC (50 Hz) in modo da eliminare il rumore di linea,
che spesso rappresenta la fonte primaria di rumore.
Anche la stessa scheda A/D è sorgente di rumore e le schede più veloci ne emettono usualmente
di più. Purtroppo non è possibile eliminare questa fonte di rumore (Fig 11 un moderno sistema di
acquisizione dati multicanale).
RIASSUMENDO: Possedere una conoscenza di massima del processo di acquisizione dati e di
quelli che sono i principali fattori che influenzano la correttezza e la precisione della misura, può
aiutare nella selezione del sistema più adatto alle diverse esigenze applicative.
Ricordiamo che non esiste un sistema universale ideale per tutte le applicazioni. Per verificare
quanto il sistema scelto sia adeguato allo scopo e possa garantire una buona qualità delle misure,
è opportuno porsi le seguenti domande:
 hardware e software offrono velocità di campionamento adeguate alle esigenze
dell’applicazione?
 l’hardware offre una risoluzione e dei fondo scala in grado di fornire la precisione
richiesta?
 l’hardware offre la calibrazione automatica o necessita di intervento manuale?
 l‘hardware fornisce misure non affette da rumore oppure è necessario interporre a
monte del processo di conversione un filtro o un condizionatore di segnale?
Nota: è importante rilevare che le specifiche relative al rumore pubblicate dai produttori di
schede di acquisizione dati si riferiscono solitamente al rumore generato dalla scheda
stessa
(Da: Note Tecniche. Luchsinger).
Figura 11 – Sistema di acquisizione dati espandibile fino a 300
canali (YOKOGAWA)
19
Sensori criogenici
Quando si parla di sensori criogenici per la misura di grandezze fisiche è importante
precisare che il contatto fisico del sensore con la parte a bassa temperatura non sempre è
necessario avremo quindi sensori di:
 temperatura
 deformazione
 livello che debbono funzionare “ a freddo”
In altri casi come per le misure di pressione o di portata si utilizzano, sia pure con
opportuni accporgimenti i comuni sensori a temperatura ordinaria .
In ogni caso per garantirsi un buon rapporto prezzo/prestazioni nella scelta di un sensore
si dovrà tenere conto di quanto detto per la strumentazione per acquisizione dati
SENSORI CRIOGENICI DI TEMPERATURA
Nella Tabella 4 sono comparati i più comuni sensori criogenici di temperatura e nelle
Figure 12-13 i campi consigliati di utilizzo e la sensibilità in funzione della temperatura di
alcuni sensori
Tabella 4
Caratteristiche dei più comuni termometri criogenici
SENSORE
Diodi Si
Cernox
Resist. Pt
Diodi GaAlAs
Resist. Ge
CGR
Res. ROx
Res RhFe
Termocoppie
Sens. Cap.
Thermox
CLTS
Compatibilità
con campi
magnetici




Ampio
Curve
Comp.
campo standard Utilizzabile
con
di
di
sotto 1K radiaz.
taratura taratura
























Alta
sens.




Costo
unit./cal
k£
600/700
900/1500
200/700
550/700
4500 cal.
550/900
400/700
Da 45a
450al m
1000
200
20
Figura 12 – Campo
di utilizzo consigliato per alcuni
termometri
Figura 13 – Sensibilità
in funzione della temperatura di
alcuni termometri criogenici
21
SENSORI CRIOGENICI DI DEFORMAZIONE
Pur esistendo in commercio vari tipi di estensimetri (meccanici, ottici, elettrici,
piezoelettrici..) quelli abitualmente utilizzati in campo criogenico sono gli estensimetri
elettrici a resistenza (Strain Gage).
Gli estensimetri sono basati su fenomeni osservati già nella seconda metà del 1800 da
Wheatstone e Thomson e cioè che un filo conduttore se sollecitato meccanicamente varia
la sua resistenza. Questo semplice principio di misura è alla base dell'analisi sperimentale
delle sollecitazioni. Nota la legge di variazione della resistenza è infatti possibile risalire
all’entità della deformazione subita.
L'estensimetro è costituito da un supporto e una griglia resistiva, della dimensione simile
ad un francobollo. La griglia, se sottoposta ad allungamento, presenta una corrispondente
variazione di resistenza elettrica direttamente proporzionale alla deformazione della
struttura su cui è fissata.
Il sensore è applicato in modo opportuno, solitamente incollato con resine epossidiche, sul
corpo che si vuole osservare ed è collegato ad un ponte di misura che ne rileva le
variazioni di resistenza. In realtà sia l’applicazione dei sensori che il rilievo della
deformazione a basse temperature deve tenere conto o ”compensare” parecchi fattori che
potrebbero essere causa di “deformazione apparente” (Apparent Strain).
Onde garantire le richieste di
 precisone
 stabilità
 allungamento
 resistenza ciclica
 durata della prova
 facilità di installazione
Nella scelta dello Strain Gage si dovrà quindi tenere conto:
 del tipo di lega da utilizzare
 del tipo di supporto
 della lunghezza e configurazione della griglia
 della auto-compensazione termica
 del valore di resistenza
In Figura 14 sono illustrati alcuni tipi di estensimetro(MM) e la tabella 5 fornisce un
esempio di guida alla scelta degli estensimetri.
Figura 14 – Vari
tipi di Strain Gage (MM)
22
Tabella 5 - Esempio
di guida nella scelta degli Strain Gage
(Dalle note tecniche MM-Luchsinger)
23
MISURATORI DI LIVELLO CRIOGENICI
La misura del livello di un liquido in un contenitore criogenico può essere di tipo discreto o
continuo. Nel primo caso avremo una indicazione sommaria del livello mediante sensori
termometri (RTD) posizionati opportunamente nel contenitore, questi, modificando
sensibilmente la loro resitenza quando vengono sommersi consentono di avere una idea
del livello del liquido all’interno del recipiente. Più accurati sono gli indicatori di tipo
continuo che possono essere di tipo manometrico, a filo superconduttore o capacitivi.
Negli indicatori a filo superconduttivo, generalmente utilizzati per misure di livello di elio
liquido ma con i superconduttori di nuova generazione (HTSC) anche per l’azoto liquido, il
principio di funzionamento è il seguente: un sottile filo superconduttore inserito
verticalmente nel recipiente da misurare, sia percorso da corrente, la parte immersa nel
liquido avrà resistenza nulla mentre la parte nel gas a causa della diversa dispersione
termica avrà un determinato valore di resistenza dipendente in prima approssimazione
dalla sua lunghezza. E’ possibile, con una accurata misura di tale resistenza con il sistema
volt amperometrico o un ponte, rapportarla alla lunghezza totale del filo e risalire
all’altezza del liquido nel recipiente .Se si conosce il fattore di forma del recipiente, è
anche possibile conoscere la quantità di liquido contenuta nel recipiente.
L’accuratezza tipica di misura può essere migliore del 5% del F.S. con sensibilità di 1mm.
Gli indicatori capacitivi, utilizzati nella misura del livello di azoto liquido sono costituiti da
due tubi concentrici di acciao inox mantenuti a distanza costante, lo spazio anulare tra i
due tubi costituisce un condensatore il cui dielettrico può essere azoto liquido o vapore di
azoto in funzione del livello. La variazione della costante dielettrica relativa fra azoto
gassoso ed azoto liquido è del 45% (aumenta nel liquido). Possiamo comprendere come
sia possibile, misurando la variazione di capacità risalire all’altezza del liquido.
L’accuratezza e la sensibilità è un po’ inferiore di quella dei sensori a superconduttori.
Per grandi recipienti sono utilizzati i misuratori di livello manometrici, questi misurano di
fatto la pressione del battente dl liquido presente all’interno del recipiente, data l’elevata
precisione raggiunta con i sensori di pressione a celle di carico (< 1% del F.S.) integrando
opportunamente la lettura con una curva di taratura specifica per ogni recipiente e per tipo
di liquido contenuto è possibile avere indicazioni di livello estremamente accurate (Fig. 15
c).
(WIKA)
b)
a)
c)
Figura 15 - Misuratori
di livello superconduttivi a), capacitivi b),
manometrici c)
24
MISURATORI DI PORTATA
Come già detto per le misure di portata di gas criogenici è necessario che il gas sia
riscaldato a temperatura ordinaria prima di eseguire la misura.
I misuratori più comuni, in funzione del costo, della precisione e delle portate richieste
sono:
1. ad area variabile
2. a effetto termico
3. a turbina o ruote ovali
Gli strumenti ad area variabile sono particolarmente versatili, caratterizzati da un
campo di portata 1÷10 e possono coprire da 1 nl/h a 1.000 nm3/h di aria (T =
20°C, P = 10131o Pa ) La scala di lettura puó essere incisa direttamente sul tubo di
misura, nel quale scorre verticalmente il galleggaiante, o su una placchetta applicata
a fianco del tubo di misura (Fig.16). Spesso sono dotati di valvola di regolazione al
loro ingresso.
Figura 16 -Misuratori di portata a sezione variabile (ASA)
I misuratori ad effetto termico sono strumenti senza parti di misura in movimento,
caratterizzati da un'elevata precisione ed una linearità di risposta in tutto il campo di
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portata non richiedono correzione di temperatura e pressione Unico requisito
essenziale richiesto è che il gas sia pulito e secco (Fig 17).
Figura 17 – Misuratori di portata termici (Hastings )
I misuratori a turbina o a uote ovali sono i comuni contatori per gas utilizzati dalla società
distributrici. Apparecchi apprezzati per la precisione di misura, la facilità di installazione e
l'ottima combinazione qualità /prezzo. Possono essere dotati di un piccolo sensore
magnetico che fornisce un segnale elettrico proporzionale alla velocità di rotazione della
turbina (e quindi alla portata) oltre alla normale lettura su scala numerica.
MISURATORI DI PRESSIONE
Le misure di pressione in campo criogenico coprono tutta la gamma possibile dei
misuratori disponibili: manometri, barometri, vacuometri di cui abbiamo già visto in
precedentemente nel capitolo relativo alle misure di pressione ( Figure 8-10)
In generale dovendo misurare la pressione di un gas o liquido criogenico si procede nel
modo seguente: mediante un piccolo tubo di acciaio inox (o altro a bassa conducibilità
termica), si riporta la grandezza all’esterno del contenitore criogenico ed a tale estremità si
collega quindi il sensore o lo strumento più idoneo
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