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© Alfredo Cigada 1 Docente: ALFREDO CIGADA DIPARTIMENTO DI MECCANICA Telefono 8487

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Presentazione sul tema: "© Alfredo Cigada 1 Docente: ALFREDO CIGADA DIPARTIMENTO DI MECCANICA Telefono 8487"— Transcript della presentazione:

1 © Alfredo Cigada 1 Docente: ALFREDO CIGADA DIPARTIMENTO DI MECCANICA Telefono

2 © Alfredo Cigada 2 Assistenza laboratori: Ing. Alessandro Cattaneo

3 © Alfredo Cigada 3 Laboratori: LABORATORI DIDATTICI MARZIO FALCO CLASD

4 © Alfredo Cigada 4 Gestione laboratori: Da decidere in funzione dei numeri Su alcuni laboratori 2 squadre, a settimane alterne (composizione non rigida) La squadra che non lavora in aula risistema il materiale raccolto; siamo a disposizione per chiarimenti Le attività di laboratorio sono oggetto di domanda di esame: un laboratorio andrà preparato come relazione e portato allorale Da fare subito la divisione in due squadre

5 © Alfredo Cigada 5 Prova in itinere E prevista una prova in itinere E vantaggiosa solo per chi segue I lucidi NON sono sufficienti

6 © Alfredo Cigada 6 Per servizio e comunicazioni: SITO MISURE

7 © Alfredo Cigada 7 Libri di testo: E.O. Doeblin: Strumenti e Metodi di misura Mc Graw Hill A.Brunelli Strumenti per la misura di grandezze meccaniche e fisiche GISI A.Cigada L. Comolli S. Manzoni Appunti di estensimetria elettrica Cittastudi 1 2 3

8 © Alfredo Cigada Le basi sono quelle del vecchio corso Tuttavia il nuovo corso sarà molto diverso… 8 RACCORDO CON ALTRO CORSO DI MISURE

9 © Alfredo Cigada 9 PERCHE UN CORSO DI MISURE MECCANICHE E TERMICHE

10 © Alfredo Cigada 10 SCOPI DI UN CORSO DI MISURE Introdurre i concetti di base di METROLOGIA Fornire una conoscenza di base sul funzionamento dei più comuni strumenti per misure in campo industriale Insegnare come si legge un catalogo per la scelta adeguata dello strumento più opportuno Introdurre le procedure previste dalle norme che regolano i sistemi qualità Usare BENE la strumentazione, avvalendosi di competenze non solo misuristiche Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

11 © Alfredo Cigada 11 DIFFICOLTA DELLE MISURE Uno strumento funziona perché fornisce un segnale, ma non basta… La strumentazione è facile da reperire a costi accettabili: questo non necessariamente significa saper eseguire misure con un senso Non esiste un metodo, comune a tutte le misure, che metta al riparo da errori grossolani, lesperienza è la qualità fondamentale Una misura sbagliata ha conseguenze importanti (ha una evidenza inconfutabile, porta ad elaborare teorie errate…) Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

12 © Alfredo Cigada 12 La misurazione, o più semplicemente la misura, è un procedimento che serve a quantificare, assegnando dei numeri, le proprietà degli oggetti e degli eventi del mondo reale. Misurare permette di conoscere, di descrivere e quindi anche di controllare qualsiasi sistema fisico nel miglior modo possibile. La scienza delle misure è antica, in quanto misurare è unesigenza vitale delluomo. Prima bilancia 6000 a.C. Unità di misura strane legate a utilità (dimensioni dei campi nel Medioevo determinati in base al numero di giorni necessari per la semina) NOTE STORICHE Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

13 © Alfredo Cigada 13 Leonardo da Vinci dice: Io credo che sieno vane e piene di errori quelle scienze che non passano attraverso i cinque sensi. Galileo afferma: Contiamo ciò che è contabile, misuriamo ciò che è misurabile e rendiamo misurabile ciò che non lo è. Lord Kelvin riafferma limportanza delle misure: Io spesso affermo che quando puoi misurare ciò di cui stai parlando e lo puoi esprimere in numeri, tu conosci qualcosa di ciò, ma quando non puoi esprimerlo in numeri, la tua conoscenza è povera ed insoddisfacente. Alla nascita del regno di Italia i parroci, al termine della predica, diffondevano le informazioni sulle unità di misura dopo la costituzione del regno dItalia. NOTE STORICHE Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

14 © Alfredo Cigada 14 NOTE STORICHE

15 © Alfredo Cigada 15 MISURE NEI CONTROLLI E NELLAUTOMAZIONE Sempre maggiore importanza dei sistemi di misura (elaborazione ed interpretazione) per monitoraggio, diagnostica, controllo. Sistema di misura integrato con il sistema da monitorare, diagnosticare, controllare. La catena di misura fa parte della progettazione complessiva della macchina controllata. Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

16 © Alfredo Cigada 16 Esempio: automobile Una volta si misuravano la velocità del veicolo e il numero di giri del motore Ora - per esempio - si misura la velocità angolare di ciascuna ruota per effettuare il controllo in trazione o in frenata Si misurano e controllano i parametri della combustione (centralina elettronica) Si misurano alcune grandezze ai fini diagnostici: temperatura dellacqua, pressione dellolio …. Sul CAN bus viaggiano centinaia di informazioni provenienti da sensori reali o virtuali MISURE NEI CONTROLLI E NELLAUTOMAZIONE Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

17 © Alfredo Cigada 17 SISTEMA (FdT) MISURA (FdT) SISTEMA CONTROLLATO Input Output Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza Problema della velocità di percorrenza di questo anello

18 © Alfredo Cigada 18 LA CATENA DI MISURA COMPLETA SENSORE IN TRASDUTTORE (CAVI, TRASMISSIONE WIRELESS) CONDIZIONAMENTO DEL SEGNALE (circuiti, amplificatori, filtri,…) (CAVI, TRASMISSIONE WIRELESS) CONTROLLO (ALIMENTAZIONE) SENSORI ATTIVI E PASSIVI RAPPRESENTAZIONE IMMAGAZZINAMENTO DEI SEGNALI Analogico: multimetro, plotterXY, oscilloscopio, registratore analogico Digitale: DAQ boards + PC, oscilloscopio, registratore DAT OUT Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

19 © Alfredo Cigada 19 Introduzione alle Misure Dinamiche Grandezza fisica Segnale Trasduttore Segnale Analogico Digitale Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

20 © Alfredo Cigada 20 Taratura statica NON LINEARE Lettura GrandezzaGrandezzaLettura LINEARE Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

21 © Alfredo Cigada 21 Risulta comodo (anche se le norme non fanno questa distinzione) effettuare una divisione in caratteristiche dei sistemi di misura: STATICHE: non variabili nel tempo DINAMICHE: variabili nel tempo Le principali caratteristiche statiche che sono contemplate nella UNI STATICHE esame preliminare per evidenziare i fenomeni fisici utilizzati e le grandezze fisiche cui lo strumento è sensibile esame delle caratteristiche metrologiche (taratura) TARATURA STATICA Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

22 © Alfredo Cigada 22 TARATURA STATICA SISTEMA DI MISURA O STRUMENTO Legame funzionale a volte molto complesso IN OUT disturbi La situazione ideale è quella in cui i disturbi sono eliminati o in cui è possibile trovare una relazione funzionale con OUT. Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

23 © Alfredo Cigada 23 TARATURA STATICA Nel caso ideale in cui i disturbi sono eliminati o controllati il sistema può vedersi come un sistema a scatola nera caratterizzato da una funzione che lega lingresso alluscita: la FUNZIONE DI TRASFERIMENTO (TF) TF IN OUT Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

24 © Alfredo Cigada 24 TARATURA STATICA misura lettura campione taratura utilizzo Punti determinati sperimentalmente Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

25 © Alfredo Cigada 25 TARATURA STATICA Il riferimento è dato da campioni o da misure fornite da uno strumento più accurato di quello che si desidera tarare. E una caratterizzazione significativa solo se i misurandi usati per effettuarla hanno incertezza più stretta dellincertezza strumentale del dispositivo in esame (in genere da almeno 4-5 volte fino a 10 volte). Le norme devono fissare la massima incertezza dei misurandi in relazione al metodo di misurazione. Non necessariamente lo strumento deve avere sensibilità ed accuratezza elevate). Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

26 © Alfredo Cigada 26 TARATURA STATICA Riferimento Incertezza riferimento (deve essere trascurabile) Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

27 © Alfredo Cigada 27 DIAGRAMMA DI TARATURA relazione che permette di ricavare da ogni valore di lettura fornito da un dispositivo di misurazione e/o regolazione la misura da assegnare al misurando. Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

28 © Alfredo Cigada 28 DIAGRAMMA DI TARATURA Diagramma di taratura: corrispondenza tra valori di lettura e fasce di valore. Graficamente è costituito da una striscia: la fascia di valori da assegnare al misurando per una lettura L i è data dal segmento M i la cui semiampiezza è lincertezza strumentale I s. La curva di taratura (diversa dal diagramma) è linsieme dei punti centrali dei segmenti M i. L i è invece linsieme dei valori di lettura che ci si aspetta dallo strumento quando misura un misurando M (con incertezza intrinseca trascurabile rispetto ad I s ). Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

29 © Alfredo Cigada 29 DIAGRAMMA DI TARATURA –Sensibilità: Rapporto tra variazione della grandezza in uscita e la corrispondente variazione della grandezza in ingresso di un dispositivo di misura. A parità di grandezza in ingresso, lo strumento più sensibile fornisce unindicazione maggiore Lettura Misurando Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

30 © Alfredo Cigada 30 RISOLUZIONE Risoluzione: attitudine di un dispositivo per misurazione e/o regolazione a risolvere stati diversi del misurando durante la misurazione. La risoluzione non può essere dedotta dal diagramma di taratura (NON è la sensibilità): riguarda la capacità del dispositivo di segnalare una piccola variazione del misurando senza peraltro valutarne l entità; lunica informazione fornita è che la differenza tra i due stati risolti non è minore del valore della risoluzione Il valore della risoluzione (spesso risoluzione) è la variazione del valore del misurando che provoca una modificazione del valore di lettura di ampiezza pari allincertezza di lettura. Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

31 © Alfredo Cigada 31 RISOLUZIONE: esempio frequenzimetro Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

32 © Alfredo Cigada 32 ISTERESI Isteresi: proprietà di uno strumento di fornire valori di lettura diversi in corrispondenza di un medesimo misurando, quando questo viene letto per valori crescenti e per valori decrescenti. Valore dellisteresi è la differenza dei valori di lettura ottenuti in corrispondenza dello stesso misurando quando questo viene fatto variare per valori crescenti e decrescenti. Cause: elettrica, meccanica, magnetica Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

33 © Alfredo Cigada 33 ISTERESI CON RELATIVO ERRORE Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

34 © Alfredo Cigada 34 ALCUNE PROPRIETA Ripetibilità: grado di concordanza tra i risultati di misure successive dello stesso misurando effettuate nelle medesime condizioni di misura, eseguite in un breve intervallo temporale. Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

35 © Alfredo Cigada 35 RIPETIBILITA 1.Eseguo la misura 2.Ottengo un risultato (misura + incertezza) 3.Controllo che le condizioni al contorno (temperatura etc..) non si modifichino 4.Rieseguo la misura dopo un breve intervallo di tempo 5.Verifico la compatibilità tra i due risultati. Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

36 © Alfredo Cigada 36 RIPRODUCIBILITA Riproducibilità: grado di concordanza tra i risultati di misure successive dello stesso misurando effettuate in condizioni di misura diverse. Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

37 © Alfredo Cigada 37 RIPRODUCIBILITA 1.Compatibilità tra misure effettuate in luoghi diversi ed in condizioni diverse. 2.E necessario tenere conto delle condizioni al contorno ed eventualmente correggere gli errori sistematici introdotti. 3.Es. Valutazione delle prestazioni di un motore effettuati a distanza di tempo da laboratori diversi. 4.Possono variare: temperatura, umidità e pressione atmosferica, tipo di combustibile etc… Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

38 © Alfredo Cigada 38 EFFETTO DI CARICO Una questione non affrontata dalle norme ma di assoluta importanza è il cosiddetto effetto di carico. Lapplicazione del dispositivo di misura può interferire con la grandezza che si vuole misurare. Es: la pressione dei beccucci del calibro varia la dimensione delloggetto che si sta misurando Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

39 © Alfredo Cigada 39 EFFETTO DI CARICO Es: lapplicazione di un accelerometro su un corpo vibrante leggero ne varia la massa e di conseguenza il comportamento dinamico m k m+M k M Es : lintroduzione di un termometro varia la temperatura dellambiente di cui si vuole conoscere la temperatura Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

40 © Alfredo Cigada 40 EFFETTO DI CARICO Es: linserzione di un dinamometro per la misura di una forza modifica il comportamento del sistema meccanico dinamometro k k kdkd kdkd k k Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

41 © Alfredo Cigada 41 EFFETTO DI CARICO Leffetto di carico è presente sia guardando al sistema meccanico, ma è molto frequente soprattutto nei sistemi elettrici di manipolazione dei segnali. La trasmissione del segnale deve avvenire tra un blocco e laltro della catena di misura con il minimo disturbo per la quantità oggetto della misura. Esempi classici da considerare sono le inserzioni di galvanometro e voltmetro, per la misura della corrente e della tensione rispettivamente, casi comunque molto comuni nelle misure. Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

42 © Alfredo Cigada 42 Risposta dinamica degli strumenti (PRONTEZZA) comportamento ideale Lettura Grandezza Grandezza Lettura Esprime la capacità di uno strumento a seguire e misurare una grandezza variabile nel tempo. Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

43 © Alfredo Cigada 43 ESEMPIO DI COMPORTAMENTO REALE -1,5 -0,5 0 0,5 1 1,5 123 tempo x(t),y(t)/k x(t) y(t)/k 0 Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

44 © Alfredo Cigada 44 COMPORTAMENTO DINAMICO DEGLI STRUMENTI idealmente: y(t) = k x(t)idealmente: y(t) = k x(t) in realtà: lo strumento insegue le variazioni della grandezza da misurare (misurando), riproducendole con un certo grado di approssimazione, che dipende dalle sue caratteristiche dinamichein realtà: lo strumento insegue le variazioni della grandezza da misurare (misurando), riproducendole con un certo grado di approssimazione, che dipende dalle sue caratteristiche dinamiche Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

45 © Alfredo Cigada 45 Sotto ipotesi che possiamo considerare sempre verificate è possibile pensare che non sia necessario studiare la risposta a tutti i possibili segnali variabili nel tempo, ma che sia possibile studiare la risposta a segnali semplici e che poi si possa estrapolare da questa risposta quella per segnali più complessi. Questa estrapolazione è rigorosa per sistemi lineari, ossia rappresentati da una equazione differenziale a coefficienti costanti. COMPORTAMENTO DINAMICO DEGLI STRUMENTI Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

46 © Alfredo Cigada 46 s = segnale r = risposta s s semplice r r semplice COMPORTAMENTO DINAMICO DEGLI STRUMENTI Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

47 © Alfredo Cigada 47 SEGNALI SEMPLICI PIÙ COMUNI: t t t t sinusoide gradino impulso rampa Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

48 © Alfredo Cigada 48 Luso della sinusoide (Fourier) ben si presta a rappresentare segnali periodici, mentre la somma di impulsi è tendenzialmente più adatta per la rappresentazione di transitori, anche se è possibile analizzare segnali periodici come somma di impulsi e transitori come somme di sinusoidi. SEGNALI SEMPLICI PIÙ COMUNI: Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

49 © Alfredo Cigada 49 SEGNALE SOMMA DI SINUSOIDI ANALISI DI FOURIER SEGNALE SUCCESSIONE DI IMPULSI ANALISI DI LAPLACE In ambito meccanico è assai diffusa lanalisi di Fourier SEGNALI SEMPLICI PIÙ COMUNI: Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

50 © Alfredo Cigada 50 TEOREMA FONDAMENTALE Sotto ipotesi molto larghe un qualsiasi segnale può essere visto come somma di un numero (eventualmente infinito) di componenti armoniche. Questo ci consente di scomporre un segnale in somma di tante componenti armoniche (sinusoidi) e quindi di studiare quali frequenze sono presenti nel segnale. Nei sistemi lineari, nota la risposta a ciascuna componente armonica, la risposta a somma di armoniche è la somma delle risposte alle singole componenti. Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

51 © Alfredo Cigada 51 A COSA SERVE? ES.RISPOSTE DI SISTEMI LINEARI SIST Ingresso Ingresso I 1 + I 2 Tempo [s] SOMMA INGRESSISOMMA USCITE Uscita Uscita U 1 + U 2 Tempo [s] Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

52 © Alfredo Cigada 52 Se uno strumento di misura è lineare, la risposta ad un ingresso variabile nel tempo può essere determinata come somma delle risposte ai vari segnali semplici (per esempio sinusoidi) in cui può essere scomposto il segnale dingresso. RISPOSTA DI UN SISTEMA DI MISURA AD UN INGRESSO VARIABILE NEL TEMPO Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

53 © Alfredo Cigada 53 Si può capire, dalla risposta di un sistema meccanico, qual è la causa di un suo eventuale malfunzionamento. Esempio: gruppi turbogeneratori APPLICAZIONI DIAGNOSTICHE Misura delle vibrazioni ai supporti Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

54 © Alfredo Cigada 54 Albero Cuscinetto Sensori di posizione Misura su un supporto: Vibrazioni 1 x giro ECCENTRICITA se è troppo elevata posso equilibrare il rotore Vibrazioni 2 x giro DIVERSA RIGIDEZZA SECONDO 2 DIREZIONI (esempio: presenza delle cave negli alternatori) APPLICAZIONI DIAGNOSTICHE Introduzione Prestazioni statiche Prestazioni dinamiche Prontezza

55 © Alfredo Cigada 55 E dunque ora necessario aprire una parentesi per apprendere gli strumenti utili a proseguire: ANALISI di FOURIER E SPETTRI


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