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

Sommario Scopo della tesi Analisi del misurando Specifiche e problemi di misurazione Il sistema realizzato Risultati ottenuti Esempi di misurazione Conclusioni

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

Rivestimento protettivo Natura del misurando Struttura metallica Rivestimento protettivo Modello elettrico del misurando Seconda armatura Rivestimento protettivo Struttura metallica

Cella elettrochimica Deve assicurare un buon contatto elettrico con il rivestimento Soluzione chimica soluzione acquosa di solfato di piombo Struttura a tre elettrodi contro-elettrodo elettrodo di lavoro elettrodo di riferimento

Modello elettrico del misurando Capacità dello strato di vernice Rp ~ 1 GW Conducibilità dello strato di vernice Impurità superficiali Rs ~ 10 KW C ~ 1 nF

Specifiche di misura Possibilità di un’analisi 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 kW @ 10 kHz limite superiore: 1 GW @ 0.1 Hz

Problemi di misura Campo di correnti da misurare da 10 pA a 10 mA (6 decadi) Suscettibilità al rumore in particolare 50 Hz Fenomeni parassiti

Architettura del sistema Software di misura e di controllo Cella elettrochimica Software di comunicazione tra DSK e PC Interfaccia tra DSK e cella elettrochimica Scheda DSK fornita dalla Texas Instruments Personal Computer SM DSK SC Interfaccia Cella

Metodo di misura Autotaratura del sistema Generazione della tensione e misurazione della corrente Autotaratura del sistema Amplificatore d’ingresso Convertitore I/V Zx (cella) Vout Vin Imisurata Zcampione

Convertitore corrente-tensione Schema della soluzione adottata + _ Imisurata Vout Voffset Vmis. R1 R5 R6 Amplificatore con LPF a frequenza variabile

Convertitore corrente-tensione Soluzione a “doppio T” 8.3 kW 10 20 30 40 50 60 70 80 68 kW 560 kW 4 MW 23 MW 120 MW Guadagno (Req) Guadagno rumore [dB] Gn1 Gn2 + _ Imisurata Vout Voffset Vmis. R1 R5 R6 Amplificatore con LPF a frequenza variabile + _ R1 Ra Rb R2 Rf Imisurata Vmis. Vn1 Vn2

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

Software DLL in Visual C++ Interfaccia grafica in Visual Basic 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

Architettura dell’interfaccia Scheda di espansione Interfaccia utente Scheda di gestione Scheda di amplificazione DSK Cella Interfaccia Scheda di espansione Amplificatore Scheda di gestione Tastierino Display LCD

Amplificatore Guadagno variabile da 5·105  a 5·1010  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

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

Scheda di gestione Controlli Regolatore offset alimentazione display LCD tastierino (mouse) Regolatore offset

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)

Deviazione standard della funzione di autotaratura Risultati ottenuti Ripetibilità della funzione di taratura Deviazione standard della funzione di autotaratura 10 1 2 3 0.01 0.02 0.03 0.04 Modulo [%] 0.005 0.015 Fase [°] Frequenza [Hz]

Risultati ottenuti Misurazione di un condensatore da 10 nF Incertezza sul modulo < 4% Incertezza sulla fase < 1° 10 -1 1 2 3 -4 -2 Errore Modulo [%] -0.5 0.5 Errore Fase [°] Frequenza [Hz] Con correzione software Incertezza sul modulo < 2%

(problemi di oscillazione) Risultati ottenuti Diagramma delle incertezze C = 100 pF 33 nF 10 -1 1 2 3 4 6 8 Frequenza [Hz] Impedenza [Ohm] Zona proibita (problemi di oscillazione) C = 56 pF C = 33 pF 1 nF C = 10 pF 4% - 1° 330 pF 13% - 4° 33 nF 8% - 2°

Risultati ottenuti Misurazioni al di fuori del campo di progetto C = 100 pF 10 -1 1 20 30 40 50 errore % modulo Frequenza [Hz] errore fase [°] Zmax  16 GW C = 56 pF Zmax  28 GW C = 33 pF Zmax  48 GW C = 10 pF Zmax  160 GW

Risultati ottenuti Misurazione a vuoto Capacità stimata 6.8 pF 10 -1 1 9 11 Modulo [Ohm] -100 -80 -60 -40 Fase [°] Frequenza [Hz] Capacità stimata 6.8 pF (~ 200 GW @0.1 Hz)

Misurazione a vuoto strumento commerciale di riferimento Capacità stimata 2 pF

Con strumento realizzato Con strumento commerciale di riferimento Risultati ottenuti Esempio di misurazione con la cella 10 1 2 3 4 6 8 Modulo [Ohm] -100 -90 -80 -70 -60 -50 Fase [°] Frequenza [Hz] Con strumento realizzato Con strumento commerciale di riferimento

Esempio di misurazione Modulo dell’impedenza misurata N° misure Log (f) Log(modulo) Fase dell’impedenza misurata Fase [°] Provino integro Provino in degrado Provino asciugato Il degrado si ripete

Esempio di misurazione Modello RC parallelo 50 100 150 200 250 300 350 1000 2000 Rp [Mohm] 1500 Cp [pF] 1 2 Rp*Cp [s] tempo [min] Degrado quasi reversibile Degrado indipendente dal segnale Degrado tra misurazioni successive Degrado anche in assenza di segnale

Esempio di misurazione Filmato di una misurazione assistita da un PC se si desidera vedere questo filmato potete richiederlo per e-mail

! 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.

? Problemi aperti Software Realizzazione industriale delle schede 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

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