Laboratorio on-line

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Laboratorio on-line

• Cosè Perché
• Elementi fondamentali

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Cosè

• Negli ultimi anni lo sviluppo della tecnologia a
  basso
• costo
• Presenza nei laboratori di apparecchi
  on-line
  
• cioè

• Sistemi di acquisizione dati gestiti con il
  computer

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Diverse iniziative intraprese dal ministero e
dalla CEE

• SeT Scienza e Tecnologia
• PSTD Progetto Sviluppo Tecnologie
• Didattiche
• LabTec
• Remotelab

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Laboratorio on-line

• Utilizzo del computer per acquisizione ed
  elaborazione dei dati sperimentali forniti da
  opportuni strumenti di misura.
• Rispetto al laboratorio tradizionale
• uso del computer

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Errore comune

• Laboratorio on-line

• Laboratorio virtuale

• Analisi di sistemi reali
• Condizioni al contorno reali
• Sistema di misura molto sensibile
• Esperimento reale

• Analisi di modello teorico
• Non si analizza un comportamento reale
• Sistema di misura simulato
• Supporto didattico

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PerchéQuattro fasi fondamentali
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Vantaggi più tempo per la didattica e la
discussione critica delle fasi elencate

• Rilevazione di molti dati in tempi brevi.
• Rilevazione di dati da strumenti diversi.
• Rilevazione dati per lunghi periodi di tempo
• Grafici in tempo reale.
• Riduzione dei tempi sperimentali.

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Tutto ciò libera più tempo per (obiettivi
didattici)

• Analizzare ed interpretare grafici.
• Ruolo del fitting dei dati.
• Gestione dei dati sperimentali per un confronto
  con un modello teorico.
• Ruolo degli errori casuali e sistematici.
• Saper eseguire una stima degli errori
  sperimentali.
• Valutare la precisione di una misura.
• Formulare e verificare ipotesi.

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Non trascurabile

• Tecnologia dominante sia in ambito industriale
  che di ricerca.
• Un tecnico o un ricercatore si deve confrontare
  con dispositivi gestiti a distanza da un
  computer.
• Interpretazione e lettura di dati e grafici.

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• Si possono avere due casi
• Uscita analogica
• Uscita digitale
• Necessità di un convertitore analogico-digitale

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Il sistema di acquisizione dati è composto da 6
blocchi essenziali 

• I dati acquisiti tipicamente vengono trattati,
  cioè analizzati, miscelati, memorizzati,
  visualizzati mediante software specializzato che
  lavora in elaboratori di processo e in personal
  computer di servizio.
• Un produttore noto per i sistemi di controllo
  interattivo e del relativo software di processo è
  PowerLab.
• EPICS è usato per sviluppare sistemi di
  aquisizione di dati di grande scala.
• Si possono anche sviluppare sistemi ad hoc usando
  un linguaggio di programmazione come experix,
  LabVIEW, VisualBasic, o C.

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LE CARATTERISTICHE DEGLI STRUMENTI DI MISURA

• Ripetibilità
• Prontezza
• - Sensibilità
• - Risoluzione
• - Fondo scala
• - Precisione

Oltre a queste esistono altri fattori tra cui il
costo, l'ingombro e il peso che
contraddistinguono lo strumento si noti peraltro
che le varie caratteristiche non sono
indipendenti l'una dall'altra, ma costituiscono
il risultato di un compromesso che si raggiunge
all'atto della progettazione.Come esempio si
consideri il fatto che il costo di uno strumento
può salire notevolmente all'aumentare
dell'intervallo di funzionamento e non è detto
che le due grandezze, costo e intervallo di
funzionamento, siano correlate linearmente anzi
molto spesso ad un piccolo ampliamento delle
caratteristiche (precisione, intervallo di
funzionamento e così via) corrisponde, in
proporzione, un aumento dei costi ben superiore
ai miglioramenti apportati.
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LA RIPETIBILITA

• Con il termine ripetibilità si intende la
  capacità dello strumento di fornire misure uguali
  della stessa grandezza entro la sua risoluzione,
  anche in condizioni di lavoro difficili o
  variabili (vibrazioni, sbalzi di temperatura,
  ...). In pratica lo strumento deve risultare ben
  isolato rispetto agli effetti dell'ambiente
  esterno, escluso ovviamente l'effetto dovuto alla
  grandezza in esame.
• La ripetibilità implica anche una buona
  affidabilità intesa come robustezza di
  funzionamento nel tempo questa peculiarità viene
  espressa come vita media o come tempo medio
  statisticamente prevedibile fra due guasti
  successivi in condizioni normali di utilizzo.

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LA PRONTEZZA

• La prontezza è una caratteristica dello strumento
  legata al tempo necessario affinchè questo
  risponda ad una variazione della grandezza in
  esame. Per alcuni, quanto minore è questo tempo,
  detto tempo caratteristico, tanto maggiore è la
  prontezza, mentre per altri la prontezza è
  rappresentata dal tempo impegato dallo strumento
  per dare la risposta, cioè il risultato.In
  generale la prontezza rappresenta la rapidità con
  cui è lo strumento è in grado di fornire il
  risultato di una misura.
• Per chiarire quanto detto finora vediamo un
  esempio consideriamo un termometro a mercurio,
  quello che si può trovare in un comune
  laboratorio, che sia inizialmente alla
  temperatura ambiente di 20oC.Se ora lo
  immergiamo in un bagno di liquido alla
  temperatura di 120oC osserviamo che il mercurio
  comincia a salire lungo la scala prima
  velocemente poi più lentamente fino ad arrivare
  al valore di temperatura corrispondente
  approssimativamente il tempo impiegato affinchè
  il mercurio raggiunga la posizione relativa alla
  temperatura misurata è dell'ordine di qualche
  decina di secondi (diciamo 40).

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Questo intervallo di tempo ci da un'indicazione
sulla prontezza dello strumento in particolare
se andiamo ad osservare l'andamento della
temperatura misurata graficata rispetto al tempo,
il fenomeno descritto appare ancora più chiaro.
                                                 
            C'è anche chi definisce la
prontezza come il tempo impiegato dall'indice
dello strumento (nel nostro caso il livello della
colonnina di mercurio) ad effettuare il 63.2
dell'escursione che esso deve compiere, partendo
dalla posizione iniziale di riposo fino a
raggiungere il valore effettivo della grandezza
tale tempo è definito come coefficiente di
ritardo.Attraverso questa definizione si
potrebbe avere un coefficiente di ritardo
variabile con il valore della grandezza
applicata per ovviare a questo inconveniente
occorre fissare un valore di riferimento della
grandezza.
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LA SENSIBILITA

• La sensibilità di uno strumento è costituita
  dalla più piccola grandezza in grado di generare
  uno spostamento apprezzabile rispetto all'inizio
  della scala dello strumento.Così definita, la
  sensibilità determina il limite inferiore del
  campo di misura dello strumento, mentre il limite
  superiore è dato dal fondo scala i due
  determinano insieme lintervallo di funzionamento
• Esiste anche una definizione più raffinata di
  quella presentata, anche se concettualmente sono
  del tutto equivalenti.

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LA RISOLUZIONE

• La risoluzione di uno strumento rappresenta la
  minima variazione apprezzabile della grandezza in
  esame attraverso tutto il campo di misura essa
  rappresenta il valore dell'ultima cifra
  significativa ottenibile.Per cui se la scala
  dello strumento parte da zero ed è lineare la
  risoluzione è costante lungo tutto il campo di
  misura e risulta numericamente uguale alla
  sensibilità.
• Si osservi che non sempre sensibilità e
  risoluzione coincidono la loro differenza
  risiede nella definizione delle due grandezze.
  Infatti la sensibilità è relativa all'inizio del
  campo di misura, mentre la risoluzione è
  considerata sull'intero campo di misura dello
  strumento.
• IL FONDO SCALA
• Il fondo scala rappresenta il limite superiore
  del campo di misura e prende anche il nome di
  portata dello strumento insieme alla sensibilità
  ne delimita lintervallo di funzionamento

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LA PRECISIONE

• Come abbiamo già detto, ad ogni misura è
  associata inevitabilmente una incertezza.
  Evidentemente più piccola è l'incertezza
  associata alla misura, migliore sarà la
  misura.Ma cosa significa "più piccola"?
• Vediamo di chiarire questo punto. Quando noi
  forniamo un risultato, lo dobbiamo sempre
  corredare, oltre che del valore della misura,
  anche dell'errore associato tale errore è detto
  errore assoluto e rappresenta l'intervallo di
  indeterminazione entro il quale si suppone che il
  risultato sia compreso. Se ora cosideriamo il
  rapporto tra l'errore assoluto e il risultato
  stesso otteniamo una grandezza adimensionale (un
  numero, privo cioè di unità di misura), molto
  utile nell'analisi degli errori, che prende il
  nome di precisione o errore relativo.
• A questo punto appare evidente che la misura con
  l'errore relativo minore è quella più precisa si
  noti bene che si è parlato di errore relativo e
  non assoluto. Infatti si consideri il seguente
  esempio siano date due misure nel modo seguente
• A(10 1) Kg B(100 1) Kg
• Entrambe hanno lo stesso errore assoluto ( A B1
  Kg), mentre hanno differenti errori relativi.Ora,
  mentre nella prima misura abbiamo un errore di
  una unità su dieci, nella seconda abbiamo un
  errore di una sola unità su cento si è allora
  soliti dire che la prima è una misura precisa al
  10, mentre la seconda precisa al 1. Precisioni
  di questo ordine di grandezza sono molto simili a
  quelle che si possono ottenere in un laboratorio
  di fisica o di chimica

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COMPONENTI FONDAMENTALI DI UN SISTEMA DAQ
I componenti base dei sistemi di acquisizione
di dati sono i sensori (trasduttori). Le parole
sensore (più usata negli USA) e trasduttore (più
comune in Europa) sono entrambe molto utilizzate
nella descrizione dei sistemi di misura
e controllo. Luso di questi dispositivi in
diversi campi dellingegneria ha contribuito a
creare ambiguità ed equivoci sulle definizioni
nonché la tendenza a coniare nuove parole per
indicare uno stesso dispositivo
(trasmettitore, modificatore, convertitore,
rivelatore, gauge, cella, ecc.) producendo
una notevole confusione terminologica.
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Le grandezze fisiche da rilevare
possono essere divaria natura generalmente
queste quantità sono difficili da trasmettere e
daelaborare nella loro forma originaria.Di
conseguenza, lobiettivo fondamentale di un
sensore/trasduttore è quellodi convertire una
grandezza fisica in ingresso in unaltra
grandezza più facileda manipolare.Una
peculiarità del processo di trasduzione è la
conversione dellenergia dauna forma (in
ingresso) ad unaltra (in uscita).
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Definizioni

• sensore dispositivo sensibile ad una grandezza
  fisica ed in grado di trasformarla in un segnale
  misurabile
• Trasduttore dispositivo che converte energia da
  un sistema ad un altro nella stessa forma o in
  forma differente
• A volte nessuna reale distinzione fra il termine
  sensore e il termine trasduttore.

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Alcuni trasduttori sono reversibili, cioè possono
funzionare come sensori o come attuatori ( capace
di produrre un effetto fisico quando gli venga
fornito un segnale elettrico).
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Condizionamento dei segnali

• Non sempre si può collegare direttamente il
  segnale ad un dispositivo
• DAQ. Si ha bisogno di modificare il segnale per
  renderlo adatto alla misura da parte di un
  dispositivo DAQ.
• Il condizionamento dei segnali è una delle
  tecnologie più importanti nel sistema di misura e
  di automazione. Esso fornisce linterfaccia tra i
  segnali/sensori e il sistema di misura.

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Condizionamento dei segnali
La maggior parte dei trasduttori ha bisogno di
hardware esterno per svolgere il proprio lavoro.
Per esempio, rilevatori di temperatura a
resistenza necessitano di una corrente di
eccitazione. Oltre allhardware esterno
necessario, non tutti i trasduttori producono una
tensione perfetta per la misura da parte di un
dispositivo DAQ. Il segnale dal trasduttore
potrebbe essere troppo rumoroso, troppo piccolo o
troppo grande per la portata del dispositivo DAQ.
Termocoppie e microfoni producono tutti un
segnale di tensione dellordine dei millivolt,
rendendo difficile rilevare i cambiamenti. La
maggior parte dei trasduttori necessita di un
condizionamento dei segnali per fornire una
corrente di eccitazione o per trasformare il
segnale in uno che possa essere facilmente
misurato da un dispositivo DAQ.
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Un esempio di Condizionamento dei segnali

• Amplificazione
• Lamplificazione è un modo di aumentare un
  segnale troppo piccolo perché possa essere
  misurato accuratamente da un dispositivo DAQ. Un
  esempio comune è il segnale che proviene da una
  termocoppia, che genera una tensione dellordine
  dei millivolt.

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Se si invia il segnale direttamente da una
termocoppia ad un dispositivoDAQ, un cambiamento
di un grado o due in temperatura potrebbe
nonessere rilevato dal sistema. Tuttavia, se si
amplifica il segnale, si ha unsegnale che
meglio si adatta alla portata del dispositivo
DAQ. Si può amplificare il segnale sia sul
dispositivo DAQ che esternamente.Amplificando il
segnale sul dispositivo DAQ si amplifica anche il
rumoreche il segnale ha rilevato sul suo
percorso verso il dispositivo DAQ.
Perminimizzare la quantità di rumore che viene
amplificata, si dispone lamplificatore il più
vicino possibile alla sorgente del
segnale.Lamplificazione esterna è di solito
unalternativa migliore. I vantaggi di
unamplificazione esterna si misurano con un
indice chiamatorapporto segnale-rumore (SNR).

• LSNR è una misura di quanto rumore esiste in un
  segnale rispetto al segnale stesso. Viene
  definito come il livello di tensione del segnale
  diviso per il livello di tensione del rumore. Più
  grande è lSNR e meglio è.

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Come mostrato nella tabella seguente, lSNR è
migliore quando il segnale viene amplificato solo
esternamente e peggiore quando il segnale viene
amplificato solo sul dispositivo DAQ.
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Condizionamento dei segnali

• Avviene tramite il blocco S/H (Sample and Hold),
• campionamento e tenuta.
• Funziona come un interruttore comandato da un
  segnale di frequenza quando linterruttore è
  chiuso il condensatore interno si carica ed il
  segnale passa (sample) mentre se linterruttore è
  aperto, il condensatore si scarica mantenendo lo
  stato precedente (hold).
• Il condizionamento dei segnali rende più facile
  la misura dei segnali da parte di un dispositivo
  DAQ.

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Panoramica sullhardware DAQUn tipico sistema
DAQ ha tre componenti hardware fondamentali
unamorsettiera, un cavo e un dispositivo DAQ.
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Morsettiera e caviUna morsettiera fornisce un
posto per collegare i segnali.

• Componenti di un dispositivo DAQ
• La figura seguente mostra i componenti di un
  dispositivo DAQ.