Universit degli studi di Enna Facolt di Ingegneria

Università degli studi di Enna Facoltà di Ingegneria Informatica Laboratorio di Elettronica Misure e strumenti di misura salvatore. tirrito@unikore. it

Perché misurare 2 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 3 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 4 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 cm 3 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 5 L’ultima cifra indicata nelle misura deve essere dello stesso ordine di grandezza dell’incertezza: Es: Tensione a vuoto di una batteria = 6, 6 V-> 6, 6 ± 0, 2 V con incertezza di 0, 2 V Oppure: Tensione a vuoto di una batteria =6 V -> 6 ± 1 V con incertezza di 1 V Oppure: Tensione a vuoto =40 V -> 40 ± 10 V con incertezza di 10 V Nei calcoli usare più cifre significative rispetto a quelle richieste per il risultato finale; L’arrotondamento è bene farlo per i calcoli.

Incertezza 6 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 7 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 8 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 9 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:

10 Metodi di espressione dell’incertezza 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/I 0 X 100

11 Sicurezza Elettrica in Laboratorio Pericolosità della corrente elettrica • Isolamento, massa, contatti • Interruttore differenziale • Marchi IMQ e CE • Soccorsi d’urgenza

12 Pericolosità della corrente elettrica -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 13 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 14 Frequenza compresa tra i 15 e i 100 Hz zona 1 - al di sotto di 0, 5 m. A 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

15 Modello circuitale di un corpo umano 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

16 Modello circuitale di un corpo umano 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 17 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 18 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 m. A, 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 50 V ( 25 V in particolari condizioni) non può essere tollerata per più di 4 -5 s.

Isolamento e Massa 19 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.

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Isolamento e Massa 22 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 23 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 m. A 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

MARCHI "IMQ" E "CE" 24 • 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 25 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

Strumenti di laboratori 26 q. 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 27 q. 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 28 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 29 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 30 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

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Oscilloscopio digitale 32 Quando si connette la sonda di un oscilloscopio digitale ad un circuito, la sezione verticale aggiusta l'ampiezza del segnale. Il convertitore analogicodigitale 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 33 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 34 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 1 X o 10 X. 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.

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Oscilloscopio digitale 36 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 1 KHz 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 37 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

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Strumenti di laboratori 39 q. Generatore di funzioni Permette la generazione di • Segnali Sinusoidali • Onde quadre • Dente di sega • Segnali custom Definendone frequenza/periodo, Ampiezza picco e offset

Strumenti di laboratori 40 q. Breadboard Una breadboard (o anche detta basetta sperimentale) è uno strumento utilizzato per creare prototipi di circuiti elettrici Struttura dei collegamenti

Resistenza 41 Resistenze: Codice dei colori