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POLITECNICO DI TORINO
II Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica
Tesi di Laurea
Studio, progetto e realizzazione
di un impedenzimetro
elettrochimico basato su DSP
Relatori:
prof. Marco Parvis
Candidati:
prof. Franco Ferraris
Stefano Bovio
Danilo Dolfini
Luglio 1999
Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Sommario
•
•
•
•
•
•
•
Scopo della tesi
Analisi del misurando
Specifiche e problemi di misurazione
Il sistema realizzato
Risultati ottenuti
Esempi di misurazione
Conclusioni
Bovio & Dolfini
2
Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Scopo della Tesi
• Analisi dello stato di salute dei monumenti
metallici
• Progetto e sviluppo di uno strumento
portatile ed economico
• Collaborazione con il Diparimento di
Scienza dei Materiali ed Ing. Chimica
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Natura del misurando
• Struttura metallica
• Rivestimento protettivo
• Modello elettrico del misurando
Seconda armatura
Rivestimento
protettivo
Struttura
metallica
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Cella elettrochimica
• Deve assicurare un buon contatto elettrico
con il rivestimento
• Soluzione chimica
– soluzione acquosa di
solfato di piombo
• Struttura a tre elettrodi
– contro-elettrodo
– elettrodo di lavoro
– elettrodo di riferimento
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Modello elettrico del misurando
• Capacità dello strato di vernice
• Conducibilità dello
strato di vernice
Rp ~ 1 GW
• Impurità superficiali
Rs ~ 10 KW
C ~ 1 nF
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Specifiche di misura
• Possibilità di un’analisi in frequenza
da 0.1 Hz a 10 kHz
• Segnale applicabile: 10 mV
• Incertezza richiesta
– modulo: 5-10 % - fase: 5°
• Campo di impedenze da misurare
– limite inferiore: 1 kW @ 10 kHz
– limite superiore: 1 GW @ 0.1 Hz
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Problemi di misura
• Campo di correnti da misurare
– da 10 pA a 10 mA (6 decadi)
• Suscettibilità al rumore
– in particolare 50 Hz
• Fenomeni parassiti
Bovio & Dolfini
8
Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Architettura del sistema
• Software
ditra
misura
di
controllo
Scheda
Cella
Personal
Interfaccia
elettrochimica
DSK
Computer
comunicazione
fornita
DSKeedalla
cella
Texas
elettrochimica
tra DSK
Instruments
e PC
DSK
SM
Interfaccia
SC
Cella
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Metodo di misura
• Generazione della tensione e misurazione della
corrente
• Autotaratura del sistema
Vin
Amplificatore d’ingresso
Zx (cella)
Vout
Convertitore I/V
Zcampione
Imisurata
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Convertitore corrente-tensione
• Schema della soluzione adottata
Amplificatore con LPF a
frequenza variabile
R1
R5
Imisurata
R6
_
+
Vmis.
+
_
Vout
+
Voffset
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Convertitore corrente-tensione
• Soluzione a “doppio T”
Guadagno rumore [dB]
Vmis.
+
_
Imisurata
Ra
R
R1
f
R2
R
Rf
RGn2
a
 R1 

Rb R2
Gn1
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Req
Amplificatore con LPF
a frequenza variabile
R
1
8.3 kW
R
560 kW
23 MW
R 4 MW
68 kW
120 MW
5
b
Vn1
Vn2
Imisurata
6
_
+
Guadagno
+ (Req)
Vmis.
_
+
Vout
Voffse
t
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Metodo numerico di misura
• Algoritmo di stima basato sui minimi
quadrati
i (t )  A  sin(  t )  B  cos(  t )
• Ipotesi:
– la generazione ed il campionamento sono sincroni
– campionamento di un numero intero di periodi
2
A 
n
n
 sink    i ( k )
k 1
2
B 
n
n
 cosk    i ( k )
k 1
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Software
• DLL in Visual C++
– funzioni per la comunicazione tra DSK e PC
• Interfaccia grafica in Visual Basic
– elaborazione grafica dei risultati
• diagrammi di Bode
• diagramma di Nyquist
• Programma di
gestione in assembler
DSK
SM
Interfaccia
SC
Cella
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Architettura dell’interfaccia
• Interfaccia
Scheda di espansione
amplificazione
gestione
utente
Scheda di espansione
DSK
Amplificatore
Cella
Scheda di
gestione
Interfaccia
Tastierino Display LCD
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Amplificatore
• Guadagno variabile
– da 5·105 W a 5·1010 W
• Elevata immunità ai disturbi
elettromagnetici
– filtri a frequenza di taglio variabile
– filtro elimina-banda a 50 Hz
• Potenziostato
• Predisposizione per la
compensazione attiva degli offset
Bovio & Dolfini
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Scheda di espansione
• Ram: 32k x 32 bit
• Eprom: 32k x 8 bit
• I/O latch
– relè amplificatore
– tastierino
• Stand-by
– possibilità di spegnere
il DSP conservando le
misure
– monitor batteria
Bovio & Dolfini
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Scheda di gestione
• Controlli
– alimentazione
– display LCD
– tastierino (mouse)
• Regolatore offset
Bovio & Dolfini
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Risultati ottenuti
• Ripetibilità della funzione di taratura
• Misurazione di un condensatore che emula la
cella
• Misurazioni al di fuori del campo di progetto
• Caratteristica a vuoto
• Misurazione con la cella elettrochimica
• Esempio di misurazione (filmato)
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Risultati ottenuti
• Ripetibilità della funzione di taratura
Deviazione standard della funzione di autotaratura
Modulo [%]
0.04
0.03
G [W]
m [%]
f [°]
0.02
10 k
0.2
0.07
100 k
0.2
0.09
0.02
1M
0.04
0.02
0.015
10 M
0.06
0.05
0.01
100 M
0.09
0.07
Fase [°]
0.01 1
10
0.005 1
10
2
10
2
10
Frequenza [Hz]
3
10
3
10
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Risultati ottenuti
Errore Modulo [%]
• Misurazione di un condensatore da 10 nF
2
0
Incertezza sulla
fase < 1°
-2
-4 -1
10
Errore Fase [°]
Incertezza sul
modulo < 4%
0
10
1
10
2
10
3
10
Con correzione
software
1
0.5
Incertezza sul
modulo < 2%
0
-0.5
-1 -1
10
0
10
1
10
Frequenza [Hz]
2
10
3
10
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Risultati ottenuti
• Diagramma delle incertezze
C = 100 pF
Impedenza [Ohm]
10
10
10
10
Zona
proibita
(problemi di
oscillazione)
1 nF
8
C = 33 pF
C = 10 pF
4% - 1°
6
C = 56 pF
330 pF
13% - 4°
33 nF
10
33 nF
4
-1
10
0
10
1
2
10
10
Frequenza [Hz]
8% - 2°
3
10
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Risultati ottenuti
errore % modulo
• Misurazioni al di fuori del campo di progetto
Zmax  16 GW
40
30
C = 56 pF
20
10
0 -1
10
errore fase [°]
C = 100 pF
50
Zmax  28 GW
0
10
1
10
C = 33 pF
40
Zmax  48 GW
30
20
C = 10 pF
10
0 -1
10
0
10
Frequenza [Hz]
1
Zmax  160 GW
10
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Risultati ottenuti
Modulo [Ohm]
• Misurazione a vuoto
11
10
Capacità
10
10
stimata
9
10 -1
10
0
10
1
10
6.8 pF
Fase [°]
-40
(~ 200 GW
@0.1 Hz)
-60
-80
-100
-1
10
0
10
Frequenza [Hz]
1
10
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
• Misurazione a vuoto
– strumento commerciale di riferimento
Capacità
stimata
2 pF
Bovio & Dolfini
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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Risultati ottenuti
Modulo [Ohm]
• Esempio di misurazione con la cella
8
Con
strumento
realizzato
10
6
10
4
10
0
10
1
10
2
10
3
10
Fase [°]
-50
-60
-70
-80
-90
-100
0
10
1
10
2
10
Frequenza [Hz]
Con
strumento
commerciale
di
riferimento
3
10
Bovio & Dolfini
26
Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Esempio di misurazione
Log(modulo)
Modulo dell’impedenza misurata
Fase dell’impedenza misurata
Fase [°]
• Provino integro
• Provino in degrado
Log (f)
Log (f)
N° misure
• Provino asciugato
• Il degrado si ripete
N° misure
Bovio & Dolfini
27
Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli
Esempio di misurazione
Rp [Mohm]
• Modello RC parallelo
2000
1000
0
0
50
100
150
200
250
300
350
0
50
100
150
200
250
300
350
0
50
100
150
200
250
300
350
1500
1000
Rp*Cp [s]
Cp [pF]
2000
2
Degrado
tra
Degrado
Degrado
misurazioni
anche
in
indipendente
quasi
assenza
successive
reversibile
dal segnale
di
segnale
1
0
tempo [min]
Bovio & Dolfini
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Esempio di misurazione
• Filmato di una misurazione assistita da un PC
se si desidera vedere questo filmato potete
richiederlo per e-mail
Bovio & Dolfini
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Conclusioni
• Il sistema realizzato è ...
...caratterizzato, per misurandi tipici, da una
incertezza sul modulo inferiore al 4% e sulla
fase inferiore ad 1°
...portatile e facile da usare
...di basso costo
– circa 20 volte inferiore rispetto al costo dello
strumento commerciale di riferimento
• Gli obiettivi prefissati sono stati raggiunti.
Bovio & Dolfini
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Problemi aperti
• Software
– algoritmo di stima, su un numero non intero di
periodi, per velocizzare le misure in bassa frequenza
– algoritmo per la valutazione qualitativa delle misure
– modello raffinato dei parametri parassiti
• Realizzazione industriale delle schede
• Cella elettrochimica
– realizzazione a doppio contatto per minimizzare gli
effetti dei disturbi elettromagnetici Bovio & Dolfini
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POLITECNICO DI TORINO
II Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica
Tesi di Laurea
Studio, progetto e realizzazione
di un impedenzimetro
elettrochimico basato su DSP
Relatori:
prof. Marco Parvis
Candidati:
prof. Franco Ferraris
Stefano Bovio
Danilo Dolfini
Luglio 1999