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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI
Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali
Corso di
Sperimentazione sulle Macchine
Acquisizione Dati
Introduzione
Introduzione
In campo scientifico e tecnologico è importante:
Acquisire ed Elaborare informazioni
Processo:


Controllo del processo
Gestione delle anomalie di funzionamento
Ricerca e sviluppo


Ottimizzazione del processo
Verifica delle prestazioni di nuovi componenti
Acquisizione Dati - 2004
2
Introduzione - 2

L’acquisizione di dati e informazioni è
importante in Ingegneria…
Si possono rilevare e registrare:
 Temperature, Pressioni, Velocità
 Concentrazioni chimiche
 Deformazioni, Forze
 Potenze, Correnti etc.
3
Introduzione - 3

… in Medicina, Geologia, Biologia etc.

Termometro…

Elettrocardiogramma
4
Introduzione - 4

… in Medicina, Geologia, Biologia etc.
Monitoraggio completo
del paziente
5
Introduzione - 5

… in Medicina, Geologia, Biologia etc.
Movimenti tellurici
(sismografi)
tempo
6
Introduzione - 6

… Nei sistemi di produzione di energia
Temperatura
Pressione
Velocità
Specie chimiche
Vibrazioni
Rumore
Frequenza angolare
Livelli
Potenze assorbite

7
Segnali


Il segnale è quella grandezza che contiene
informazioni sul fenomeno fisico da rilevare
Il segnale deve essere :
 Registrabile
 Analizzabile
 Oggettivo
Manometro di Bourdon
8
Segnali - 2
Tutti gli strumenti di misura
generano dei segnali:
Se il segnale varia
lentamente nel tempo
è detto STATICO
oppure STAZIONARIO
non tutti i segnali sono STAZIONARI
9
Segnali - 3
Se il segnale varia
rapidamente nel tempo
è detto DINAMICO
Periodico
Casuale (random)
La registrazione dei
segnali deve essere
realizzata in modo
automatico
10
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI
Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali
Corso di
Sperimentazione sulle Macchine
Acquisizione Dati
Sistemi di acquisizione dati
Sistemi di Acquisizione Dati
Fenomeno fisico
Analisi dei Dati
Trasdutt\ore
Condizionatore di Segnale
Scheda di acquisizione
Software di acquisizione
Computer
Source: www.ni.com
12
Sistemi di Acquisizione Dati
da: www.ni.com
Trasduttore
Cond. di Segnale
Scheda di acq.
Computer
Software di acq.
13
Trasduttore
Un Trasduttore è uno strumento che
permette di correlare
una grandezza fisica di interesse
una grandezza leggibile e registrabile
Manometro: PRESSIONE
Spostamento di un ago
Trasduttore
di
PRESSIONE
Pressione:
Segnale elettrico
14
Trasduttore - 2
Trasduttore di Pressione di tipo - Capacitivo
- Differenziale
Segnale in Uscita:
• Corrente
• Tensione
Collegamento tipico per misure di velocità del flusso
15
Trasduttore - 3
Trasduttori
di Temperatura
Segnale in Uscita:
•Tensione
Termocoppie
È necessario un
amplificatore di
segnale
16
Trasduttore - 4
Varie Tipologie di trasduttori:
 Capacitivi
Principio di
 Resistivi
funzionamento
 Piezoresistivi
 Piezoelettrici




Analogico (I, V)
Digitale
Segnale in
uscita
Statico
Dinamico
Risposta in
frequenza
17
Condizionatore di segnale
Segnale
Alimentazione
Trasduttore
Segnale
amplificato
e filtrato
Condizionatore
di segnale
18
Condizionatore di segnale - 2
Diversi tipi di condizionamento del segnale





Amplificazione
Filtro
Isolamento elettrico
Multiplexing
Alimentazione elettrica
19
Scheda di acquisizione & PC
E’ la parte
Hardware da
collegare al PC

Multiplexer

Convertitore A/D

Memoria

Clock
Scheda
Computer
20
Scheda di acquisizione - 2

Multiplexer:


Scheda
permette il collegamento
sequenziale al convertitore
dei segnali in ingresso.
Funziona su una frequenza
impostata dal clock (orologio
interno) della scheda

Convertitore A/D

Memoria

Clock
21
Scheda di acquisizione - 3

Multiplexer:

Convertitore A/D



Scheda
Converte un segnale da
analogico a digitale, in modo
che possa essere trattato da
un PC.
2 funzioni principali:
campionamento e
quantizzazione
Le operazioni vengono
svolte alla frequenza
impostata dal clock

Memoria

Clock
22
Conversione analogico-digitale
Convertitore A/D


A intervalli regolari viene
rilevato un valore di
tensione
Il segnale in tensione
elettrica viene trasformato
in un numero binario di
valore proporzionale
3 bit
4 .1
1 . 25
R
V max
10
23
8
10.00
4.1
8.75
7.50
6.25
5.00
3.75
2.50
1.25
1 . 25
Dt
Segnale analogico
Segnale digitale
Assume infiniti valori
assume un numero definito di valori
3 . 28
3
0 22
1 21
1 20
0 11
23
Conversione analogico-digitale - 2
Ingressi analogici (Analog Input, ADC)
Numero of bit
R
Vmax
•
È una caratteristica del convertitore A/D (12,
16, 24 bit).
•
Influenza la minima variazione della
grandezza che può essere rilevata…
•
… che però dipende anche dal campo di
misura impostato !!
•
Ad es., un convertitore a 12-bit usato in un
campo tra 0 e 10 V avrà una risoluzione
Vmin
2N
10 0
10
212
4096
0.00244 V
2.44 10
3
V
24
Scheda di acquisizione - 4

Multiplexer:

Convertitore A/D

Memoria



Scheda
Permette una conservazione
veloce dei dati
Può essere lineare o
circolare
Clock

Regola la velocità di
svolgimento di tutte le
operazioni
25
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Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali
Corso di
Sperimentazione sulle Macchine
Acquisizione Dati
Caratteristiche delle schede di acquisizione e problematiche
Parametri
27
Parametri
 Velocità di campionamento (Sampling Rate)
 Campo di misura (Range)
 Risoluzione
 Numero di canali
 Metodo di campionamento (Sampling Method)
 Tipi di ingressi
28
Velocità di campionamento



Definisce la frequenza con la quale è ripetuta
l’operazione di campionamento
Dipende dalle caratteristiche del clock della
scheda
E’ indicata in hertz (Hz)
f

f(x)
1
t
Hz
Valori tipici:
100
 250
 500
 1,25

kHz
kHz
kHz
MHz
Dt
tempo
29
Campo di misura (range)

Definisce i valori di tensione minimi e massimi che possono
essere inviati alla scheda

Normalmente possono essere variati via software

Deve essere scelto per ottimizzare la risoluzione

Valori normalmente utilizzati:

0;
1V

0;
10 V

-5 ; +5 V

-10 ; +10 V
Unipolare
//
Bipolare
//
30
Risoluzione


Definisce la “fedeltà” con la quale si passa dal valore
analogico “vero” a quello digitale
Dipende dalle caratteristiche del convertitore A/D…
DV= 1,43 [V]
3 bit
Errore max = 1,43/2=0.72 [V]
V
DV= 0.67 [V]
4 bit
Errore max = 0,67/2=0.33 [V]
V
Errore= |3,28-2,86|=0.42 V
10.0
8.57
3.28
Errore= |3,28-3,35|=0.07 V
10.0
7.14
5.71
4.29
2.86
1.43
3.35
3.28
2.68
0.67
tempo
t1
tempo
t1
31
Risoluzione

Definisce la precisione con la quale si passa dal valore
analogico “vero” a quello digitale
Dipende dalle caratteristiche del convertitore A/D…

…ma anche dal campo di misura scelto.

DV= 1,43 [V]
Range=10 V
Errore max = 1,43/2=0.72 [V]
V
DV= 0.71 [V]
Range=5 V
Errore max = 0,71/2=0.36 [V]
V
Errore= |3,28-2,86|=0.42 V
Errore= |3,28-3,55|=0.27 V
10.0
8.57
3.28
7.14
5.71
4.29
2.86
1.43
3.55
5.00
3.28
2.84
0.71
tempo
t1
tempo
t1
32
Numero di Canali



Per il verso del segnale del segnale:

Canali d’ingresso

Canali d’uscita
Per tipo di segnale:

Canali analogici

Canali digitali
Altri

Canali di trigger

Digital Input/Output (DIO)

Clock
33
Metodo di campionamento
1 convertitore A/D



I segnali dai diversi canali
sono congelati (in forma
analogica) nel circuito
Sample and Hold (t1)
Il multiplexer li trasferisce
sequenzialmente al circuito
di conversione analogico
digitale
Il convertitore A/D impiega
il tempo t2 per la
conversione di ogni canale
Tempo totale = t1 + N*t2
N convertitori A/D



I segnali dai diversi canali
sono congelati (in forma
analogica) nei circuiti
Sample and Hold (t1)
Non c’è multiplexer
ogni convertitore A/D
impiega il tempo t2 per la
conversione del canale
Tempo totale = t1 + t2
34
Metodo di campionamento -2
Esempio nel caso di 1 convertitore A/D
35
Problematiche

Tipo di collegamento

Accuratezza e precisione

Velocità di campionamento

Componenti in frequenza

aliasing
36
Tipi di collegamento
Collegamento differenziale


Sono usati 2 canali
La miglior soluzione se si
vogliono evitare disturbi
(noise)
TRASDUTTORI
SCHEDA
37
Tipi di collegamento
Collegamento singolo tipo 1
(referenced ground singleended)



La più usata in campo
industriale
Utilizzabile con segnali
superiori a 1 V
Possibilità di trasferimento
del rumore
38
Tipi di collegamento
Collegamento singolo tipo 2
(non referenced ground
single-ended)



Un buon compromesso tra
le altre
Riduce la presenza di
rumore
Da usare, se possibile
39
Accuratezza e precisione
40