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Tesi di Laurea Studio, progetto e realizzazione di un impedenzimetro elettrochimico basato su DSP POLITECNICO DI TORINO II Facoltà di Ingegneria Corso.

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1 Tesi di Laurea Studio, progetto e realizzazione di un impedenzimetro elettrochimico basato su DSP POLITECNICO DI TORINO II Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Relatori: prof. Marco Parvis prof. Franco Ferraris Candidati: Stefano Bovio Danilo Dolfini Luglio 1999

2 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 2 Sommario Scopo della tesi Analisi del misurando Specifiche e problemi di misurazione Il sistema realizzato Risultati ottenuti Esempi di misurazione Conclusioni

3 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 3 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

4 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 4 Seconda armatura Rivestimento protettivo Natura del misurando Modello elettrico del misurando Struttura metallica Rivestimento protettivo

5 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 5 Cella elettrochimica Deve assicurare un buon contatto elettrico con il rivestimento Struttura a tre elettrodi –contro-elettrodo –elettrodo di lavoro –elettrodo di riferimento Soluzione chimica –soluzione acquosa di solfato di piombo

6 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 6 Modello elettrico del misurando Conducibilità dello strato di vernice Impurità superficiali C ~ 1 nF R p ~ 1 G R s ~ 10 K Capacità dello strato di vernice

7 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 7 Specifiche di misura Possibilità di unanalisi 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 10 kHz –limite superiore: Hz

8 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 8 Problemi di misura Campo di correnti da misurare –da 10 pA a 10 A (6 decadi) Suscettibilità al rumore –in particolare 50 Hz Fenomeni parassiti

9 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 9 Architettura del sistema Scheda DSK fornita dalla Texas Instruments DSK Interfaccia Cella SM Cella elettrochimicaPersonal ComputerSoftware di comunicazione tra DSK e PCInterfaccia tra DSK e cella elettrochimica Software di misura e di controllo SC

10 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 10 Metodo di misura Generazione della tensione e misurazione della corrente Autotaratura del sistema Z campione Amplificatore dingresso Convertitore I/V Z x (cella) V out V in I misurata

11 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 11 Convertitore corrente-tensione Schema della soluzione adottata _ _ I misurata V out V offset V mis. R1R1 R5R5 R6R6 Amplificatore con LPF a frequenza variabile

12 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 12 Convertitore corrente-tensione Soluzione a doppio T + _ R1R1 RaRa RbRb R2R2 RfRf I misurata V mis _ _ I misurata V out V offse t V mis. R1R1 R5R5 R6R6 Amplificatore con LPF a frequenza variabile Guadagno (R eq ) Guadagnorumore [dB] Gn1Gn2 V n1 V n2

13 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 13 Metodo numerico di misura Algoritmo di stima basato sui minimi quadrati Ipotesi: –la generazione ed il campionamento sono sincroni –campionamento di un numero intero di periodi

14 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 14 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 Interfaccia Cella SM SC

15 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 15 Architettura dellinterfaccia Scheda di amplificazioneScheda di gestione Amplificatore Scheda di gestione Scheda di espansione TastierinoDisplay LCD Scheda di espansioneInterfaccia utente DSKCella Interfaccia

16 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 16 Amplificatore Guadagno variabile –da 5·10 5 a 5·10 10 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

17 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 17 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

18 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 18 Scheda di gestione Controlli –alimentazione –display LCD –tastierino (mouse) Regolatore offset

19 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 19 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)

20 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 20 Risultati ottenuti Ripetibilità della funzione di taratura

21 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 21 Risultati ottenuti Misurazione di un condensatore da 10 nF Incertezza sul modulo < 4% Incertezza sulla fase < 1° Con correzione software Incertezza sul modulo < 2%

22 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 22 Risultati ottenuti Diagramma delle incertezze 33 nF 1 nF 330 pF 4% - 1° 8% - 2° 13% - 4° C = 100 pF C = 56 pF C = 33 pF C = 10 pF

23 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 23 Risultati ottenuti Misurazioni al di fuori del campo di progetto C = 100 pF C = 56 pF C = 33 pF C = 10 pF Zmax 16 G Zmax 28 G Zmax 48 G Zmax 160 G

24 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 24 Risultati ottenuti Misurazione a vuoto Capacità stimata 6.8 pF (~ 200 Hz)

25 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 25 Misurazione a vuoto –strumento commerciale di riferimento Capacità stimata 2 pF

26 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 26 Risultati ottenuti Esempio di misurazione con la cella Con strumento realizzato Con strumento commerciale di riferimento

27 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 27 Esempio di misurazione Provino integro Modulo dellimpedenza misurata N° misure Log (f) Log(modulo) Fase dellimpedenza misurata N° misure Log (f) Fase [°] Provino in degrado Provino asciugato Il degrado si ripete

28 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 28 Esempio di misurazione Modello RC parallelo Degrado tra misurazioni successive Degrado anche in assenza di segnale Degrado indipendente dal segnale Degrado quasi reversibile

29 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 29 Esempio di misurazione Filmato di una misurazione assistita da un PC se si desidera vedere questo filmato potete richiederlo per

30 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 30 ! 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.

31 Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli Bovio & Dolfini 31 ? 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

32 Tesi di Laurea Studio, progetto e realizzazione di un impedenzimetro elettrochimico basato su DSP POLITECNICO DI TORINO II Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Relatori: prof. Marco Parvis prof. Franco Ferraris Candidati: Stefano Bovio Danilo Dolfini Luglio 1999


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