UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FIRENZE                       FACOLTÀ DI INGEGNERIA             CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA EL...
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2. Progetto e realizzazione del filtro                                                     1                              ...
2. Progetto e realizzazione del filtro                                                Rω 3 C12 L1                         ...
2. Progetto e realizzazione del filtro                                                             1                      ...
2. Progetto e realizzazione del filtro                                          RωC 2 (ω 2 C1 L − 1)                      ...
2. Progetto e realizzazione del filtro                     L = 63.66 mH             C = 318.3 μF                    C1 < 3...
2. Progetto e realizzazione del filtroSi sono scelti valori così differenti da quelli progettuali a causa della difficoltà...
2. Progetto e realizzazione del filtroQuesto gruppo ha una frequenza di risonanza pari a 22.87 kHz (2.11) ed èplausibile c...
2. Progetto e realizzazione del filtroIl filtro offre una capacità equivalente di 55 μF ed una resistenza equivalentedi ci...
2. Progetto e realizzazione del filtro2.3 Realizzazione e collaudo del circuito                                           ...
2. Progetto e realizzazione del filtro                               Modulo della risposta in frequenza  10   1           ...
3. Progetto e realizzazione dell’alimentatoreCapitolo 3:    Progetto e realizzazione dell’alimentatore                   P...
3. Progetto e realizzazione dell’alimentatoreAlimentatore in continuaPer la scelta dell’alimentatore si può optare su un m...
3. Progetto e realizzazione dell’alimentatore               Tab. 3.1: Comparazione fra i due regolatori di tensione integr...
3. Progetto e realizzazione dell’alimentatoreQuesta configurazione è presentata nel data sheet del componente[3] erealizza...
3. Progetto e realizzazione dell’alimentatoreIn figura 3.3 possiamo vedere lo schema elettrico definitivo dell’alimentator...
3. Progetto e realizzazione dell’alimentatoreInfine si nota il potenziometro inserito in serie alla resistenza R1 cheperme...
3. Progetto e realizzazione dell’alimentatoreIl PCB ottenuto è il seguente:              Fig. 3.4:Master del circuito dell...
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3. Progetto e realizzazione dell’alimentatoreLa corrente sul carico di provavaria da 1.18mA a 9.65mA, allamassima corrente...
4. Bus GPIBCapitolo 4:      Bus GPIB                              Il bus GPIB trattato in questo capitolo                 ...
4. Bus GPIBIl bus HP-IB permetteva di gestire in modalità automatica gli strumentielettronici HP con gli elaboratori elett...
4. Bus GPIBIl bus è formato da 24 linee divise rispettivamente in tre gruppi:       1. Data bus (8 bit): su questi canali ...
4. Bus GPIB                          Tab 4.1: Valori di tensione e corrente                          della logica TTL adot...
4. Bus GPIBcontrollore che gestisce il flusso di informazioni sul bus trasmettendocomandi a tutti i dispositivi.Il control...
4. Bus GPIB                Dispositivo A                                                  Dispositivo A                   ...
4. Bus GPIBIl bus management è composto da 5 linee (5 bit) si occupa dei comandirelativi alle impostazioni dei dispositivi...
4. Bus GPIB4.3 Protocollo SCPIIl protocollo SCPI (Standard Command for Programmable Instruments)definisce un modello gener...
4. Bus GPIB       •   Signal generation: converte i dati interni in segnali real-words.       •   Memory: Immagazzina i da...
4. Bus GPIB   3. Calculate: introduce nel segnale elementi che tengono conto di       eventuali anomalie nella sua generaz...
4. Bus GPIBdisponibili sul mercato, la sua rappresentazione grafica ed un’architetturagenerale studiata per essere partico...
4. Bus GPIBanello chiuso supporta tutte le funzionalità di base del bus GPIB; possocollegare fino a 30 dispositivi impiega...
5. Messa in provaCapitolo 5:      Messa in prova                                 In questo capitolo è illustrato l’assembl...
5. Messa in provaInoltre si deve tenere conto dell’effetto di questa corrente anche sullo shuntche andrà dimensionato in m...
5. Messa in prova5.2 Configurazione di misura                                                                    In figura...
5. Messa in prova5.3 Stima dell’incertezzaIn riferimento al modello riportato nell’espressione 5.3, il quadratodell’incert...
5. Messa in prova 5.3.1 Incertezza sulla misura della temperatura ϑ1 L’incertezza sulla temperatura dipende dal trasduttor...
5. Messa in prova                                                   VS                                          I DC =    ...
5. Messa in prova                                          1 2                       uVDC = u BVDC +                      ...
5. Messa in prova                                         Impostazione                Fig. 5.2: Diagramma di   dei paramet...
5. Messa in provasia una termocoppia di tipo K) dal software, ma possono essere cambiatiaccedendo al diagramma LabVIEW del...
5. Messa in prova Fig. 5.3: Pannello di controllo principale dell’interfaccia LabVIEW, nel quale spiccano i 3 comandi per ...
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  1. 1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FIRENZE FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTRONICA Prove termiche: validazione di unmetodo non normalizzato secondo la ISO 17025 Candidato: Alessandro BacioccolaRelatori: Relatore esternoProf. M. Catelani Ing. L. SpinelliSig. R. SinguaroliIng. I. Trotta ANNO ACCADEMICO 2004-2005
  2. 2. IndiceIndice dei capitoliIntroduzione……………………………………………………….…………..pag. 1Pianificazione delle prove di laboratorio…………………………………….pag.2 Sviluppo di metodi non normalizzati secondo la ISO 17025……...pag.2 Scopo della prova che deve essere implementata……………...…pag.3 Studio dell’incertezza del modello adottato…………………pag.5 Strumentazione di misura inerente la prova………………..pag.6 Individuazione delle grandezze di interesse e metodologie di misura…..…………………………………….pag.7 Configurazione del sistema di misura……………………………….pag.8 Specifiche del sistema di misura…………………………………….pag.9 Pianificazione e registrazione dell’attività di progettazione……...pag.10Progetto e realizzione del filtro…………..…………………………………pag.11 Soluzioni progettuali…………………………………………..……..pag.12 Filtraggio con un unico condensatore……………………...pag.12 Cella filtrante………………………………………………….pag.13 Dimensionamento dei componenti…………………………pag.16 Note sui componenti…………………………………………pag.20 Realizzazione e collaudo del circuito……………………………...pag.21Progetto e realizzazione dell’alimentatore in continua……………...…..pag.23 Progettazione dell’alimentatore…………………………………….pag.24 Scelta della configurazione circuitale………………………pag.25 Modifiche della configurazione scelta……………………...pag.26 i
  3. 3. Indice Collaudo del circuito…………………………………………...…….pag.30Bus GPIB…...……………………………………………………………...…pag.32 Struttura del bus GPIB………………………………………………pag.33 Segnali di comando e controllo del bus……………………………pag.37 Protocollo SCPI………………………………………………...…….pag.39 Ambienti di programmazione……………………………………….pag.41 Standard affini al GPIB……………………………………………...pag.42Messa in prova……………………………………………………………….pag.44 Dimensionamento dei componenti…………………………………pag.44 Configurazione di misura……………………………………………pag.45 Stima dell’incertezza…………………………………………………pag.46 Incertezza sulla misura della temperatura ϑ1……………..pag.47 Incertezza sulla misura delle resistenze R1 e R2…………pag.47 Sviluppo del software di acquisizione dati………………………...pag.49 Struttura interna del programma……………………………pag.53 Collaudo del sistema………………………………………………...pag.55Risultati…………...………………………………………………………......pag.58 Validazione……………………………………………………………pag.58 Collaudo……………………………………………………….pag.59 Prove…………………………………………………………………..pag.60 Esecuzione della prova (trasformatore da 50VA)………...pag.61 Esecuzione della prova (trasformatore da 30VA)………...pag.63 Conclusioni……………………………………………………………pag.65 ii
  4. 4. IndiceAllegati: Pianificazione e registrazione dell’attività di progettazione……...pag.67 Verbale di riesame della progettazione (15/04/05)………………pag.70 Verbale di riesame della progettazione (22/06/05)………………pag.72 Verbale di validazione della progettazione (10/08/05)…………..pag.74 Data sheet del componente LR8…………………………………..pag.76Bibliografia……………………………………………………………………pag.88 iii
  5. 5. IntroduzioneIl progetto nasce dalla necessità del laboratorio“ElettroLab” dell’ingegnere Lorenzo Spinelli di eseguireprove di tipo termico a basso costo su trasformatori dibassa potenza.Si prevede di rilevare i dati termici del trasformatoresenza effettuare il distaccamento del carico e quindisenza alterare il normale funzionamento deltrasformatore.La procedura implementata sarà acquisita comeprocedura di laboratorio e potrà essere applicata aprove di tipo termico su trasformatori previaaccettazione del cliente.La prova può essere acquisita in base alla normativaISO17025 che permette di redigere metodi di provanon normalizzati purché si effettui la necessariavalidazione.Il sistema che si vuole realizzare deve essereeconomico e deve acquisire i dati senza l’assistenzadell’operatore. 1
  6. 6. 1. Pianificazione delle prove di laboratorioCapitolo 1: Pianificazione delle prove di laboratorio Nell’ottica della nuova norma ISO17025 che ha sostituito la precedente normativa EN45001 si vuole sviluppare e validare una propria procedura per effettuare prove di tipo termico su trasformatori di bassa potenza.Pianificazione delle prove di laboratorioLa normativa ISO/IEC/CEI/EN 17025 si differenzia dalla precedente sia peraspetti gestionali che tecnici; in questa trattazione hanno interesse leinnovazioni introdotte nell’ambito delle competenze tecniche ed in particolarela possibilità, da parte del laboratorio, di effettuare la validazione di metodinon normalizzati.1.1 Sviluppo di metodi non normalizzati secondo la ISO 17025La normativa prevede che il laboratorio possa utilizzare, previaautorizzazione del cliente, anche metodi sviluppati dal laboratorio stessopurché appropriati allo scopo e opportunamente validati.Nel paragrafo 6.1 della norma si evidenzia l’importanza della validazione delmetodo stesso come atto di conferma attraverso l’azione e l’apporto di 2
  7. 7. 1. Pianificazione delle prove di laboratorioevidenza oggettiva che i requisiti particolari per l’utilizzazione prevista sianosoddisfatti[7].Il laboratorio deve registrare i risultati ottenuti e le procedure utilizzate per lavalidazione del metodo sviluppato ed una dichiarazione circa l’idoneità dellostesso per l’utilizzo previsto.Del nuovo metodo sviluppato, durante la validazione devono essereindividuati i campi di applicazione e l’accuratezza dei valori delle misureottenibili (incertezza, linearità, ripetibilità e limiti di misura).In particolare, durante la stima dell’incertezza di misura, devono essereprese in considerazione tutte le componenti di rilievo inerenti l’utilizzazionespecifica del metodo.La ISO 17025 introduce anche per la prima volta in questi ambiti la possibilitàdi utilizzare software, sviluppato direttamente dal laboratorio, perl’acquisizione e l’elaborazione dei dati raccolti purché anche su questo siaeseguita la necessaria validazione.1.2 Scopo della prova che deve essere implementataDurante lo svolgimento dell’attività del laboratorio di prova “Elettrolab” è natal’esigenza di eseguire in maniera automatica prove di tipo termico (prove diriscaldamento e prove di transitori termici) su trasformatori monofase dibassa potenza (potenza inferiore ad 1kVA).Tali prove non hanno riferimento normativo e quindi si deve sviluppare evalidare un metodo specifico.Per sviluppare le prove si seguiranno le pubblicazioni IEC60076-6 (ratificataCEI come normativa 14-4/8 fascicolo 6242E), la norma CEI 14-8 (conparticolare attenzione alle sezioni 3 e 5) ed il fascicolo CEI 1167G. 3
  8. 8. 1. Pianificazione delle prove di laboratorioLo scopo della prova, sia nel caso di valutare la sovra temperatura deltrasformatore o il suo transitorio termico, è quella di valutare la temperaturadell’avvolgimento primario del trasformatore in prova.Tale misura può essere effettuata sfruttando la relazione di variazione dellaresistenza dell’avvolgimento in funzione della temperatura (riportata informula 1.1) introdotta nel fascicolo 1167G del CEI[7]. 235 + ϑ2 R2 = R1 [1.1] 235 + ϑ1La formulazione sovrastante valida per il rame indica con R1 la resistenzadell’avvolgimento primario alla temperatura ϑ1, con R2 la resistenzadell’avvolgimento primario alla temperatura ϑ2 (temperatura a cui si scaldal’avvolgimento).Possiamo invertire la precedente relazione in modo da esplicitare latemperatura ϑ2 in funzione degli altri parametri ottenendo così la seguenterelazione. R2 ϑ2 = (235 + ϑ1 ) − 235 [1.2] R1Si utilizza il modello matematico sopra riportato per valutare la temperaturaϑ2 dell’avvolgimento primario.L’incertezza di misura di questo modello è studiata con il metodo dellederivate parziali ed è funzione dell’incertezza complessiva con cui sonodeterminate le due resistenze R1, R2 e la temperatura ϑ1. 4
  9. 9. 1. Pianificazione delle prove di laboratorio1.2.1 Studio dell’incertezza del modello adottatoDato un modello matematico f funzione delle misure n1, n2,……,nn, una voltanote le incertezze complessive delle singole misure e supposto che questesiano piccole rispetto alle misure stesse ed indipendenti fra loro, ammessoinoltre che siano definite e calcolabili le derivate prime del modello rispetto aiparametri di misura, si può esprimere la sua incertezza complessiva alquadrato (un’2) del modello come segue. 2 2 2 ⎛ ∂f ⎞ 2 ⎛ ∂f ⎞ 2 ⎛ ∂f ⎞ 2 u =⎜ 2 n⎜ ∂n ⎟ u n1 + ⎜ ∂n ⎟ ⎜ ⎟ u n 2 + ....... + ⎜ ⎟ ⎜ ∂n ⎟ u nn ⎟ [1.3] ⎝ 1⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎝ n ⎠Dove uni2 è l’incertezza complessiva quadratica rispetto alla misura i-esimaed i termini nelle parentesi sono le derivate del modello rispetto ai vari fattori.Nel nostro caso il modello da analizzare è quello riportato nella relazione 1.2funzione della misura di temperatura ϑ1 e delle misure di resistenza R1 e R2. R2 f = f (ϑ1 , R1 , R2 ) = (235 + ϑ1 ) − 235 [1.4] R1 2 2 2 ⎛ ∂f ( R1 , R2 , ϑ1 ) ⎞ 2 ⎛ ∂f ( R1 , R2 , ϑ1 ) ⎞ 2 ⎛ ∂f ( R1 , R2 , ϑ1 ) ⎞ 2 u =⎜ 2 ⎜ ⎟ u R1 + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ uR2 + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ uϑ 1 ⎟ [1.5] ∂R1 ∂R2 ∂ϑ1 T ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠Per studiare la sua incertezza si devono calcolare le derivate del modellorispetto ai parametri R1, R2 e ϑ1 il cui valore è riportato nelle espressioni 1.6,1.7 ed 1.8. 5
  10. 10. 1. Pianificazione delle prove di laboratorio ∂f ( R1 , R2 , ϑ1 ) R2 = [1.6] ∂ϑ1 R1 ∂f ( R1 , R2 ,ϑ1 ) R (ϑ + 235) =− 2 1 2 [1.7] ∂R1 R1 ∂f ( R1 , R2 ,ϑ1 ) 235 + ϑ1 = [1.8] ∂R2 R1Sostituendo le espressioni trovate nella 1.5 si ricava la stima dell’incertezzaquadratica complessiva relativa alla misura della temperatura ϑ2. 2 2 2 ⎛ R (235 + ϑ1 ) ⎞ 2 ⎛ 235 + ϑ1 ⎞ 2 ⎛ R2 ⎞ 2 u = ⎜− 2 2 T ⎜ ⎟ u R1 + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ u R 2 + ⎜ ⎟ uϑ 1 ⎟ ⎜R ⎟ [1.9] ⎝ R1 ⎠ ⎝ R1 ⎠ ⎝ 1⎠1.2.2 Strumentazione di misura inerente la provaPer eseguire la prova sia di riscaldamento classico che di transitorio sidevono rilevare la temperatura ambiente a cui è eseguita la prova e la misuradella resistenza dell’avvolgimento primario.Si vuole eseguire la misura della resistenza del primario senzadistaccamento del carico, ovvero, mantenendo la continuità d’esercizio delsistema.Per eseguire le misure si vuole utilizzare la strumentazione gia presente inlaboratorio, in particolare si sceglie di utilizzare il data logger 34970A(Agilent) che grazie alla sua versatilità una volta interfacciato con un personalcomputer opportunamente programmato eseguirà tutte le misure necessariein modo automatico. 6
  11. 11. 1. Pianificazione delle prove di laboratorioQuesto strumento è un sistema di acquisizione multi-canale, che permette dieseguire misure di diverso tipo su ogni canale; il nostro modulo èequipaggiato con uno slot a 20 canali.Si sceglie di collegare il data logger all’elaboratore elettronico attraverso ilbus GPIB (General Purpose Interface Bus) la cui architettura verrà trattatanel capitolo 4.1.2.3 Individuazione delle grandezze di interesse e metodologie dimisuraCome è stato evidenziato nel paragrafo precedente le grandezze di interesseper le prove che devono essere effettuate sono tre: 1. Misura della temperatura ambiente a cui è eseguita la prova. 2. Misura della resistenza dell’avvolgimento primario “a freddo” (ad inizio prova). 3. Misura della resistenza dell’avvolgimento primario durante la prova.La misura della temperatura ambiente può essere effettuata con unqualunque sensore termico collegato ad un canale del data logger; i canalidello strumento utilizzato incorporano il circuito di condizionamento delsegnale per i più comuni trasduttori termici fra i quali termocoppie (nelle varietipologie) e PT100.Nel laboratorio si dispone sia di termocoppie di tipo K e J che ditermoresistenze PT100 quindi si prevede che il sistema possa utilizzareindifferentemente questi tipi di sensori.Per quanto riguarda le misure della resistenza dell’avvolgimento primario sisceglie di operare in maniera volt-amperometrica sovrapponendo allatensione di rete in ingresso al trasformatore una tensione continua dimisura. 7
  12. 12. 1. Pianificazione delle prove di laboratorioUna volta ottenuto il segnale in ingresso al trasformatore come somma diuna tensione continua ed una alternata alla frequenza di 50Hz si rileverà latensione continua ai capi del primario e la corrente continua che vi scorre.La resistenza dell’avvolgimento sarà espressa secondo la legge di Ohmcome rapporto fra tensione e corrente continua. VDC R= [1.10] I DCSi decide di misurare la corrente come la caduta di tensione (Vs) continua sudi uno shunt (Rs) di 0.5Ω. Vs I DC = [1.11] Rs1.3 Configurazione del sistema di misuraLo schema di principio del sistema di misura che deve essere realizzato èriportato in figura 1.1, in questo si possono individuare il trasformatore, ilcarico e lo shunt. Alimentatore in continua Filtro Tensione Trasformatore Carico di rete V2 V1 Shunt Fig. 1.1: Schema di principio della configurazione del sistema di misura che deve essere implementato. 8
  13. 13. 1. Pianificazione delle prove di laboratorioOltre ai blocchi sopra elencati gia discussi nel paragrafo precedente, in figura1 sono riportati: • L’alimentatore in continua che permette di iniettare la corrente continua necessaria per eseguire la misura della resistenza del primario. • Il filtro che offre un percorso a bassa impedenza per la corrente di rete, evitando che questa attraversi l’alimentatore in continua.La progettazione del filtro e dell’alimentatore in continua saranno affrontate inmaniera approfondita nei capitoli 2 e 3.1.4 Specifiche del sistema di misuraIn tabella 1.1 sono riepilogate le specifiche del sistema di misura che deveessere realizzato. Tab. 1.1: Riepilogo delle specifiche che deve rispettare il sistema di misura nel caso delle due prove. Transitorio Tipo di prova Riscaldamento termico Si vuole valutare il riscaldamento del Si vuole valutare il primario di un riscaldamento del trasformatore di primario di un bassa potenza Cosa si vuole trasformatore di misurare quando questo è bassa potenza sottoposto durante il normale all’erogazione di funzionamento un’elevata potenza al carico Modello R2 matematico ϑ2 = (235 + ϑ1 ) − 235 utilizzato R1 9
  14. 14. 1. Pianificazione delle prove di laboratorio Temperatura ambiente, resistenza Grandezze dell’avvolgimento primario a “freddo” ed in Misurate esercizio La valutazione è effettuata attraverso il metodo alle derivate parziali avendo considerato le incertezze complessive delle Valutazione dell’incertezza singole misure piccole rispetto alle misure di misura sulla stesse, indipendenti fra loro e che per il temperatura ϑ2 modello utilizzato siano definite e calcolabili le derivate prime rispetto ai parametri che costruiscono il modello stesso. Data logger dell’agilent 34970A con slot a 20 canali. Termocoppie J/K, oppure PT100. Oltre a questi strumenti per l’esecuzione della Strumentazione utilizzata prova sono necessari un alimentatore a tensione continua variabile ed un filtro che attenui la componente continua e lasci inalterata la componente ai 50Hz.Nei capitoli successivi sarà affrontata la progettazione del filtro (capitolo 2) edell’alimentatore in continua (capitolo 3) e lo sviluppo dell’interfaccia software(capitolo 5) di gestione delle prove ed infine la validazione tecnica e teoricadel metodo sviluppato.1.5 Pianificazione e registrazione dell’attività di progettazioneL’attività di progettazione delle prove e dei dispositivi ad esse connessi èpianificata a priori e puntualmente registrata.Per ogni attività è specificata la sua natura (riesame, verifica, validazione oaltro), la data prevista ed effettiva per la conclusione dell’attività stessa ed unbreve commento a questa.In allegato è riportata la pianificazione della progettazione (allegato A) ed iverbali di riesame e validazione (allegati B, C e D) della stessa. 10
  15. 15. 2. Progetto e realizzazione del filtroCapitolo 2: Progetto e realizzazione del filtro La progettazione del filtro affrontata in questo capitolo è di fondamentale importanza affinché la prova fornisca risultati attendibili. Il filtro deve essere posto in parallelo al generatore di tensione continua utilizzato per iniettare la corrente di prova; il suo scopo è quello di fornire un cammino a bassa impedenza per la corrente alternata così che questa non attraversi l’alimentatore. Come sarà analizzato nei paragrafi seguenti la progettazione risulta critica a causa degli elevati valori di capacità e dell’elevata tensione a cui sono sottoposti gli elementi che compongono il filtro.Progetto e realizzazione del filtroIl filtro necessario per la prova deve presentare una costante di tempo moltominore del periodo della tensione di rete (20 ms) e deve presentareun’impedenza alla frequenza di 50 Hz molto minore di quella offerta 11
  16. 16. 2. Progetto e realizzazione del filtrodall’alimentatore stabilizzato impiegato (tipicamente un buon alimentatore dalaboratorio ha un’impedenza di uscita 0.5 Ω).Per ricavare le specifiche di progetto del filtro si considerano soddisfatte lecondizioni soprastanti se la costante di tempo del filtro è inferiore a 2 ms e lasua resistenza è minore di 0.05 Ω (si considera un fattore 10). Tab. 2.1: Specifiche di progetto del filtro. Costante di tempo 2 ms Impedenza di ingresso 0.05 ΩLe condizioni a cui deve sottostare il progetto sono piuttosto severe, inparticolar modo quella sull’impedenza di ingresso.2.1 Soluzioni progettualiPer il progetto si scartano le soluzioni circuitali di tipo attivo in quanto letensioni di interesse sono molto elevate.Per realizzare il filtro si possono seguire principalmente due linee di progetto:implementare il circuito con un solo condensatore in parallelo all’alimentatorestabilizzato oppure progettare una cella filtrante più complessa di tipo passaalto o passa banda in modo tale che attenui fortemente la continua e lasciinalterata la componente alla frequenza di 50 Hz.2.1.1 Soluzione 1: Filtraggio con un unico condensatoreIl condensatore deve essere dimensionato in maniera tale da soddisfare lerelazioni della tabella 2.1 riassunte nelle disequazioni 2.1 ed 2.2. Rout C < 0.002s [2.1] 12
  17. 17. 2. Progetto e realizzazione del filtro 1 < 0.01Ω [2.2] j 2πfC f =50HzRisolvendo le due disequazioni in funzione della capacità si ottiene: 0.002 0.002 C< = = 20mF [2.3] Rout 0 .1 1 1 C> = = 318.3mF [2.4] 2πf 0.01 15.708Il sistema non ammette soluzioni e pertanto la linea progettuale seguita deveessere riesaminata.Anche inserendo una resistenza in serie all’alimentatore stabilizzato in uso,così da elevare il valore della sua impedenza di uscita, non è possibilerisolvere il sistema.2.1.2 Soluzione 2: Cella filtranteSi realizza il filtraggio attraverso un sistema più complesso; per questaapplicazione si può scegliere una cella filtrante a T. In figura 2.1 è riportato lo C C schema elementare di una cella filtrante a T che esegue L un filtraggio di tipo passa alto. J1 J2 La risposta in frequenza F(f) è la seguente: Fig. 2.1: Schema elettrico di una cella filtrante elementare a T. 13
  18. 18. 2. Progetto e realizzazione del filtro Rω 3 C12 L1 F( f ) = [2.5] (ω 2 C1 L1 − 1)(ωRC1 − j )In figura 2.2 è riportata la rappresentazione grafica del modulo della rispostain frequenza. Risposta in frequenza 10 1 0,1 Modulo 0,01 0,001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 Frequenza [Hz] Fig.2.2: Risposta in frequenza tipica di una cella filtrante a TPer il dimensionamento dell’induttanza e delle capacità in funzione dellafrequenza di taglio (f0) e del modulo dell’impedenza (R) su cui sono chiusil’ingresso e l’uscita del filtro si possono utilizzare le formule semplificate (2.6ed 2.7) reperibili su qualunque manuale ingegneristico [5]. R L= [2.6] πf 0 14
  19. 19. 2. Progetto e realizzazione del filtro 1 C= [2.7] 2πf 0 RUtilizzando un modulo filtrante di questo tipo una percentuale rilevante dellacorrente che attraversa il filtro si richiude verso massa attraverso l’induttanzaL.Per evitare l’inconveniente si inserisce un condensatore in serieall’induttanza in modo tale che l’impedenza offerta dal ramo AO sia moltomaggiore di quella del ramo AB. A B C C C1 J1 L J2 O Fig. 2.3: Cella modificata per evitare il richiudersi della corrente verso massa.Il condensatore può essere dimensionato secondo la relazione 2.9. 1 1 + j 2πfL >> [2.8] j 2πfC1 j 2πfC C1 << C (1 − 2πfL ) [2.9]La risposta in frequenza di questo circuito è la seguente: 15
  20. 20. 2. Progetto e realizzazione del filtro RωC 2 (ω 2 C1 L − 1) F( f ) = [2.10] ( RωC − j )(ω 2 C1C − C − C1 )In figura 2.4 è riportato il grafico del modulo della risposta in frequenza 2.10. Risposta in frequenza 10 1 0,1 Modulo 0,01 0,001 0,0001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 Frequenza [Hz] Fig. 2.4: Andamento tipico del modulo della risposta in frequenza del circuito in figura 2.3.2.2 Dimensionamento dei componenti del filtroIl filtro deve avere una frequenza di taglio di 50Hz (f0) e si considera che isuoi terminali siano chiusi su un’impedenza di 10 Ω (R).Attraverso le relazioni 2.6, 2.7 ed 2.9 dimensiono i condensatori el’induttanza ottenendo i seguenti valori: 16
  21. 21. 2. Progetto e realizzazione del filtro L = 63.66 mH C = 318.3 μF C1 < 33 μFStudiando il modulo della risposta in frequenza del filtro con l’ausilio diMatlab[16] si sono scelti i valori commerciali dei componenti come segue: L = 2.2 mH C = 110 μF C1 = 22 nFAvendo scelto i valori commerciali dei componenti notevolmente differenti daquelli ottenuti dalle relazioni progettuali (2.6 ed 2.7), la frequenza di taglio delfiltro non risulterà più quella calcolata. Risposta in frequenza 10 1 0,1 Modulo 0,01 0,001 0,0001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 Frequenza [Hz] Fig. 2.5: Risposta in frequenza del filtro progettatoGraficamente si può individuare la nuova frequenza di taglio intorno ad 1Hz. 17
  22. 22. 2. Progetto e realizzazione del filtroSi sono scelti valori così differenti da quelli progettuali a causa della difficoltànel reperire condensatori elettrolitici non polarizzati in grado di sopportareuna tensioni di lavoro superiore a 300Vpp.Il comportamento del filtro è stato simulato utilizzando il programma Multisimversione 7 Power Pro[3] ottenendo come risultato la risposta in frequenzariportata in figura 2.6. Risposta in frequenza 10 1 0,1 Modulo 0,01 0,001 0,0001 0,00001 0,00001 0,001 0,1 10 1000 Frequenza [Hz] Fig. 2.6: Modulo della risposta in frequenza del filtro ottenuta con il simulatore.La frequenza di taglio ricavata con l’analisi al simulatore è pari 3.67Hz,l’attenuazione offerta dal filtro alla continua rispetto alla frequenza di 50 Hz èpraticamente infinita; si raggiunge un attenuazione di 24.8dB già fra 50 Hz e0.2Hz.Sovrapponendo la curva in figura 2.6 e quella in figura 2.5 si nota unandamento delle due risposte morfologicamente simile; la curva in figura 2.6evidenzia a fine funzione l’inizio di un picco dovuto al gruppo LC presente nelramo AO del filtro (figura 2.3). 18
  23. 23. 2. Progetto e realizzazione del filtroQuesto gruppo ha una frequenza di risonanza pari a 22.87 kHz (2.11) ed èplausibile che questa inizi a mostrare la sua influenza nell’intorno di un 1kHz. 1 fr = = 22.87 kHz [2.11] 2π LCLa sovrapposizione fra le due curve (figura 2.7) mostra uno scostamento sulfronte di salita del filtro dovuto probabilmente alle correnti di dispersione neicondensatori ed alle tolleranze valutate dal simulatore e non considerate nelcalcolo analitico. Risposta in frequenza 10 1 0,1 Modulo Simulato 0,01 Calcolato 0,001 0,0001 0,00001 1E-05 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 Frequenza [Hz] Fig. 2.7: Sovrapposizione delle due risposte in frequenza (simulata e calcolata). 19
  24. 24. 2. Progetto e realizzazione del filtroIl filtro offre una capacità equivalente di 55 μF ed una resistenza equivalentedi circa 60 Ω.La costante di tempo è di 5.5 ms e rispetta la specifica fornita, mentrel’impedenza di ingresso è superiore a quella richiesta.Per poter utilizzare questo filtro devo inserire in serie all’alimentatore unaresistenza da 1 kΩ in modo tale da innalzare la sua impedenza di ingresso;le nuove specifiche di progetto inserendo la resistenza in serie sono riportatein tabella 2.2. Tab. 2.2: Specifiche di progetto del filtro ponendo in serie all’alimentatore di una resistenza di 1 kΩ. Costante di tempo 2 ms Impedenza di ingresso 100,05 ΩCon questo metodo l’impedenza di ingresso è inferiore a quella richiestamentre la costante di tempo con l’inserimento della resistenza in serieall’alimentatore sale a 55 ms.Il problema della costante di tempo eccessiva può essere risoltosemplicemente eseguendo misure dopo che il filtro abbia raggiunto lacondizione di regime (5 volte la costante di tempo).2.2.1 Note sui componentiI condensatori C e C1 devono essere scelti in modo tale che sopportinoun’elevata tensione di lavoro; in particolare deve essere superiore al valorepicco-picco della tensione di rete (311 V).Il condensatore C, vista l’elevata capacità (110 μF), si sceglie di tipoelettrolitico non polarizzato; mentre per il condensatore C1 si utilizza uncondensatore di tipo plastico per alta tensione. 20
  25. 25. 2. Progetto e realizzazione del filtro2.3 Realizzazione e collaudo del circuito Il filtro è montato su di una millefori formato isocard (110x160mm); questa è scelta è dettata dalla semplicità del circuito e dalla possibilità offerta dalla millefori di ri-configurare velocemente il circuito in fase di collaudo. I due condensatori C sono realizzati ponendo in contro serie 2 condensatori elettrolitici polarizzati da 220μF 400V Fig. 2.8: Realizzazione del montaggio del filtro su piastra millefiori. lavoro. Una volta montata la cella filtrante, sirileva la risposta in frequenza e si confronta con quella calcolata e simulata.Il filtro è collaudato collegando al suo ingresso un generatore di segnale(HP33120A) con impedenza di ingresso di 50Ω ed alla sua uscita un caricodi 1kΩ.Al generatore si fa produrre una sinusoide con ampiezza di 10Vpp confrequenza variabile fra 0,2Hz ed un 1kHz.Sul carico si è collegato un oscilloscopio digitale (HP54645A) con il quale sivisualizza la variazione dell’ampiezza dell’uscita in funzione della variazionedi frequenza del segnale di ingresso.Con tale prova si va a ricavare la risposta in frequenza del filtro realizzato(figura 2.8).La curva rilevata in laboratorio ricalca fedelmente l’andamento della rispostain frequenza simulata, mentre, si discosta dalla curva teorica (calcolata); talescostamento era già stato riscontrato in figura 2.7 e si può imputare alletolleranze dei condensatori pari a ± 20% del valore nominale. 21
  26. 26. 2. Progetto e realizzazione del filtro Modulo della risposta in frequenza 10 1 Misurato 0,1 Calcolato Simulato0,01 0,1 1 10 100 1000 f(Hz) Fig. 2.8: Risposta in frequenza del filtro misurata, calcolata e simulataLa risposta in frequenza è unitaria intorno ai 50Hz (come da specifica), lafrequenza di taglio risulta pari a 3.5Hz ed il filtro offre un’attenuazione fra i 50Hz ed 0.2Hz di 24dB.Il filtro collaudato rispetta le specifiche di progetto e pertanto può essereimpiegato per la prova che si intende realizzare. 22
  27. 27. 3. Progetto e realizzazione dell’alimentatoreCapitolo 3: Progetto e realizzazione dell’alimentatore Per la prova si decide di non utilizzare un alimentatore da laboratorio ma, di integrare il circuito di iniezione della corrente di prova nel filtro così da snellire la strumentazione necessaria allo svolgimento della prova stessa. L’idea è quella di costruire uno strumento unico che presenti un ingresso per la tensione di rete, le uscite per il trasformatore (sulle quali è presente la tensione di rete sommata alla tensione di prova) e le boccole per le connessioni degli strumenti di misura. Per effettuare la prova è sufficiente disporre sul banco di prova il nostro strumento, il trasformatore da testare, gli strumenti necessari per effettuare le misure ed un calcolatore per l’eventuale acquisizione dei dati e la successiva elaborazione. 23
  28. 28. 3. Progetto e realizzazione dell’alimentatoreAlimentatore in continuaPer la scelta dell’alimentatore si può optare su un modello commerciale abasso costo come un alimentatore a tensione regolabile di tipo a spinaoppure progettare un semplice alimentatore stabilizzato a tensione variabile.L’utilizzo di un alimentatore a spina deve essere scartato perché la nostraapplicazione prevede che l’uscita di questo sia collegata alla tensione direte; in genere non si può considerare che l’elemento stabilizzatore utilizzatonell’alimentatore possa sopportare un tale stress.Si deve quindi progettare un alimentatore specifico facendo attenzione chel’elemento stabilizzante sia in grado di reggere un’elevata tensione fraingresso ed uscita.3.1 Progettazione dell’alimentatoreSi deve costruire un alimentatore di tensione continua stabilizzato in grado dierogare una corrente costante, il cui valore deve essere impostato dall’utenteed in grado di sopportare il rientro della tensione di rete sulla sua uscita.L’elemento critico di questo progetto è la scelta del regolatore di tensione; atale scopo si opta per un regolatore di tensione integrato con tensione diuscita variabile ed in grado di sopportare un’elevata tensione fra ingresso eduscita.Fra i componenti che rispondono a queste specifiche si individuano ilVB408B[11] della ST e LR8[10] della Supertex Inc; in tabella 3.1 sonoriportate le principali caratteristiche dei due regolatori integrati. 24
  29. 29. 3. Progetto e realizzazione dell’alimentatore Tab. 3.1: Comparazione fra i due regolatori di tensione integrati VB408B e LR8. VB408B LR8 ΔVin,out 400V 450V Iout 40mA 30mA Vout 1.2 ÷ 440V 1.25 ÷ Vin-30V 2 Contenitore D PAK TO-252 Potenza dissipata @ TA = 25°C 3.43w 2.5w Reperibilità scarsa buonaIl componente VB408B offre una potenzamassima dissipabile maggiore rispettoall’altro però il contenitore offerto risulta didifficile montaggio e la reperibilità delcomponente sul mercato è scarsa.Lo stabilizzatore LR8 ha il grande vantaggiodi essere facilmente reperibile sul mercatoed il contenitore in cui è disponibile èfacilmente installabile sul circuito; per Fig. 3.1: Foto del regolatore di tensione integrato LR8 nel package a montaggioqueste motivazioni si preferisce il regolatore superficiale TO-252.della Supertex Inc.3.1.1 Scelta della configurazione circuitale La configurazione circuitale scelta per il funzionamento dello stabilizzatore è quella riportata nello schema di Fig. 3.2: Schema elettrico di base dello stabilizzatore adottato principio di figura 3.2. 25
  30. 30. 3. Progetto e realizzazione dell’alimentatoreQuesta configurazione è presentata nel data sheet del componente[3] erealizza un alimentatore di tensione che eroga una corrente costante anche afronte di forti variazioni della tensione di ingresso.La corrente Iout erogata dallo stabilizzatore ha un valore pari a: 1.2V I out = [3.1] R3.1.2 Modifiche della configurazione sceltaQuesta configurazione permette di iniettare nel trasformatore in prova unacorrente di prova costante; per adattare il circuito al nostro scopo sieffettuano alcune variazioni alla configurazione di base, in particolare siinserisce: • un diodo fra i piedini Vout e Vin dello stabilizzatore con il catodo rivolto verso il piedino Vin; questo diodo serve a garantire che la tensione di ingresso al regolatore di tensione sia sempre maggiore di quella di uscita questa è una condizione fondamentale per il corretto funzionamento dell’integrato[10]. • Un potenziometro in serie alla resistenza R di figura 3.2 per variare la corrente che si va ad iniettare. • Due diodi a protezione dell’uscita per far si che la corrente possa scorrere solamente nel verso scelto (verso nel quale si inietta la corrente di prova). 26
  31. 31. 3. Progetto e realizzazione dell’alimentatoreIn figura 3.3 possiamo vedere lo schema elettrico definitivo dell’alimentatore,nel quale si notano: Fig. 3.3: Circuito definitivo dell’alimentatore stabilizzatoIl trasformatore T1 che preleva la tensione alternata dalla rete elettrica (inparticolare è stato scelto un trasformatore 220/12 a doppio secondario).Il ponte a diodi D2 con tensione inversa di 800V e massima correntesopportabile di 2A.I due condensatori C1 e C3 elettrolitici polarizzati da 470μF 450V collegati incontro-serie così da formare un condensatore elettrolitico non polarizzato da235μF 450V; si è scelto di realizzare il condensatore elettrolitico nonpolarizzato con una contro-serie di due condensatori elettrolitici polarizzativista la difficoltà a reperire condensatori elettrolitici non polarizzati per altetensioni di tale capacità.Il diodo D1 garantisce che la tensione in ingresso allo stabilizzatore siasempre maggiore di quella di uscita; i diodi D3, D4 impediscono che lacorrente scorra in verso opposto a quello di iniezione.Tutti e tre i diodi sono stati scelti in grado di sopportare una tensione inversadi 1000V ed una corrente diretta di 1A. 27
  32. 32. 3. Progetto e realizzazione dell’alimentatoreInfine si nota il potenziometro inserito in serie alla resistenza R1 chepermette di variare la corrente erogata dall’alimentatore.In tabella 3.2 si riporta la lista dei componenti dell’alimentatore. Tab. 3.2: Lista dei componenti dell’alimentatore. Identificativo Modello D1, D3, D4 1N4007 D2 2W08G R1 1kΩ 1w R2 1kΩ 2w pot C1, C3 470μF 450V C2 1μF 250V U1 LR8 T1 220/12/12 6VA J1 Connettore 2 pinPer realizzare il circuito stampato si è utilizzato il programma Ultiboard 7Power Pro di Electronics Workbench[15].Si è deciso di realizzare il circuito sfruttando la tecnologia a singola facciatacon i componenti montati attraverso piazzole (through hole). 28
  33. 33. 3. Progetto e realizzazione dell’alimentatoreIl PCB ottenuto è il seguente: Fig. 3.4:Master del circuito dell’alimentatore progettato a dimensioni reali.Il circuito è stato realizzato in dimensioni non Tab. 3.3: Dimensioni del circuito stampato realizzato.eccessivamente ridotte (tabella 3.3) per Dimensioni(mm)garantire l’isolamento dielettrico fra piste Altezza 60parallele che, altrimenti viste le tensioni con cui il Larghezza 110circuito opera, poteva portare alla generazione di archi elettrici. 29
  34. 34. 3. Progetto e realizzazione dell’alimentatore (a) (b)Fig. 3.5: a)Vista tridimensionale del circuito dell’alimentatore lato componenti. b)Vista del circuito dal lato rame.Entrambe le viste sono state ottenute con il programma Ultiboard.Lo stabilizzatore LR8 è stato montato sul lato rame (figura 3.5b) per facilitarela procedura di sbroglio da parte del programma.In figura 3.5 sono riportate le viste tridimensionali del circuito completoottenuto con Ultiboard.3.2 Collaudo del circuitoPer il collaudo del circuito si esegue un test di corretto funzionamento delcircuito; per fare ciò si collega il trasformatore T1 alla rete elettrica e siverifica che l’alimentatore eroghi corrente su di un carico di prova (1kΩ), sicontrolla inoltre che la correnti vari la sua intensità azionando ilpotenziometro R2.Verificato il funzionamento del circuito si misura il ripple sovrapposto allatensione di uscita dell’alimentatore. 30
  35. 35. 3. Progetto e realizzazione dell’alimentatoreLa corrente sul carico di provavaria da 1.18mA a 9.65mA, allamassima corrente erogata sulcarico c’è una tensione di ripplealla frequenza di 100Hzsovrapposta alla continua conun ampiezza pari a 25mV.La massima tensione continua Fig. 3.6: Foto del circuito realizzato, si noti l’assenza deldi uscita è pari a 8.78V e trasformatore 220/12 di cui è previsto il montaggio separato.l’ampiezza del ripple in questocaso è di 25mV.Il rapporto di reiezione del ripple è espresso nella seguente formula (3.2). ⎛V ⎞ RRV = 20 log 10 ⎜ DC max ⎟ = 50.91dB [3.2] ⎜V ⎟ ⎝ ripple ⎠In tabella 3.4 si riportano i risultati delle misure effettuate come testfunzionale dell’alimentatore realizzato. Tab. 3.4: Parametri caratterizzanti dell’alimentatore, realizzato, misurati in laboratorio su di un carico di prova di 1kΩ. Min Max Corrente d’uscita 1.18 9.65 mA Tensione di ripple 25 mV RRV 50 dB 31
  36. 36. 4. Bus GPIBCapitolo 4: Bus GPIB Il bus GPIB trattato in questo capitolo permette di ottenere un sistema flessibile nel quale si possono aggiungere e togliere dispositivi senza la necessità di dover nuovamente programmare l’interfaccia software. Inoltre, questa architettura ha una velocità di trasferimento elevata rispetto al bus RS-232 che per lo più sta diventando obsoleto. Un ulteriore vantaggio offerto da questo standard è la possibilità di connettere fino a 15 dispositivi su di un’unica porta al contrario dei bus seriali che prevedono soltanto un dispositivo per porta.Bus GPIBIl bus GPIB (General Purpose Interface Bus) è nato come evoluzione del busHP-IB (Hewlett Packard Interface Bus) sviluppato nel 1965 dalla HewlettPackard. 32
  37. 37. 4. Bus GPIBIl bus HP-IB permetteva di gestire in modalità automatica gli strumentielettronici HP con gli elaboratori elettronici della stessa casa costruttrice.Tale sistema di interfacciamento ha avuto una rapida diffusione grazieall’elevata velocità di trasferimento dei dati (nominalmente 1 Mbyte/s) ed èstato accettato come standard dall’IEEE (Instute of Electrical and ElectronicsEnginers) come bus IEEE488-1975.Lo standard originale è stato poi modificato nel 1987 con IEEE488.2-1987.In questa revisione si precisavano le modalità di comunicazione fracontrollore e gli altri dispositivi; mancava però un unico protocollo diprogrammazione per tutti gli strumenti collegati al bus.Nel 1990 un consorzio formato dalle più importanti aziende produttrici distrumentazione elettronica definisce il protocollo SCPI (Standard Commandfor Programmable Instruments); questo protocollo che verrà affrontato indettaglio nel paragrafo terzo di questo capitolo definisce un’unica modalità diprogrammazione per qualsiasi strumento SCPI.L’introduzione di questa grande innovazione portò alla riduzione dei tempi disviluppo e a una maggiore leggibilità dei programmi da parte degli utenti esoprattutto alla possibilità di sostituire un certo strumento con un altro diversoche esegua lo stesso tipo di misura senza dover modificare radicalmente ilsoftware già sviluppato.4.1 Struttura del bus GPIBIl bus GPIB è di tipo parallelo a 8 bit con la possibilità di poter collegare fino a15 strumenti e 20 m di cavo su una sola porta.La velocità nominale è di 1 Mbyte per secondo quando sono connessisoltanto due dispositivi e scende a 250 kbyte per secondo quando idispositivi connessi sono 15. 33
  38. 38. 4. Bus GPIBIl bus è formato da 24 linee divise rispettivamente in tre gruppi: 1. Data bus (8 bit): su questi canali transitano i dati e i comandi. 2. Handshake bus (3 bit): sono i segnali che gestiscono la modalità di trasmissione asincrona dei dati. 3. Management bus (5 bit): questi canali sono riservati alla gestione dell’interfaccia e delle interruzioni.Le restanti 8 linee sono segnali di massa; lo standard IEC625 differisce dallostandard in esame per la presenza di nove linee di massa anziché 8. GPIB Data bus Management bus Handshake bus Fig. 4.1: Suddivisione del bus GPIBLa logica utilizzata è di tipo TTL negata e nella tabella 4.1 sono riportati ivalori tipici delle correnti e delle tensioni. 34
  39. 39. 4. Bus GPIB Tab 4.1: Valori di tensione e corrente della logica TTL adottati sul bus. Min Max Typ VIH 2 2.4 V VIL 0.8 0.4 V VOH 2.4 2.5 V VOL 0.5 0.4 V IIH 2.5 mA IIL -3.2 mA IOH -5.2 mA IOL 48 mAGli strumenti collegati sul bus si dividono fondamentalmente in 4 categorie: 1. Ascoltatori (Listener): dispositivi in grado di ricevere dati attraverso il bus. 2. Parlatori (talker): dispositivi in grado di trasmettere dati attraverso il bus. 3. Parlatori-ascoltatori (talker-listener): dispositivi in grado di trasmettere e ricevere dati e comandi attraverso il bus. 4. Controllore (controller): è il dispositivo che presiede al funzionamento di tutte le altre periferiche, di solito il controllore è un elaboratore elettronico dotato di interfaccia GPIB.In prossimità del connettore GPIB posto sullostrumento ci sono una o due lettere cheidentificano la categoria di appartenenza dellostrumento (ascoltatore L, parlatore T, parlatore-ascoltatore TL, controllore C).Fra i dispositivi riveste un ruolo importante il Fig. 4.2: Connettore GPIB standard. 35
  40. 40. 4. Bus GPIBcontrollore che gestisce il flusso di informazioni sul bus trasmettendocomandi a tutti i dispositivi.Il controllore osserva costantemente il bus, quando uno strumento invia larichiesta di impegnare il canale sta al controllore regolare il flusso dati,mettere in posizione di ascolto l’ascoltatore o gli ascoltatori opportuni edautorizzare il parlatore ad impegnare il bus.Non tutte le configurazioni GPIB richiedono l’uso del controller, questodiventa necessario al momento che devo gestire più parlatori su di unostesso bus.Può rendersi necessario l’uso di più controller su di uno stesso canale, il lorouso però non può essere simultaneo, infatti, è possibile tenere attivo solo uncontrollore alla volta.Il controllore che in un certo istante è collegato al bus ma non è attivo si dicein carica (controller in charge).Sono previste due modalità di connessione degli strumenti al bus: 1. Configurazione lineare: i dispositivi (ascoltatori/parlatori) sono collegati fra loro in cascata, il primo dispositivo è collegato al controllore. 2. Configurazione a stella: tutti i dispositivi sono connessi ad un unico dispositivo che a sua volta è collegato al controllore. 36
  41. 41. 4. Bus GPIB Dispositivo A Dispositivo A Dispositivo D Dispositivo B Dispositivo B Dispositivo C Dispositivo C a b Fig. 4.3: a) Dispositivi in configurazione lineare b) Dispositivi in configurazione a stella.4.2 Segnali di comando e controllo del busI segnali di comando e controllo del GPIB coincidono con le linee dei duesotto bus di handshake e di management.Il bus di handshake regola il flusso dati della trasmissione asincrona ed ècomposto da tre linee. Tab. 4.2: Segnali del bus di handshake. Data Valid: indica la condizione di validità DAV di un dato trasmesso sul bus dati. Not Ready For Data: lo strumento non è NRFD pronto per accettare il messaggio(dato/comando). Not Data Accepted: indica che uno NDAC strumento non ha ancora accettato il messaggio(dato/comando). 37
  42. 42. 4. Bus GPIBIl bus management è composto da 5 linee (5 bit) si occupa dei comandirelativi alle impostazioni dei dispositivi connessi al canale e della gestionedelle interruzioni che ogni apparato può richiedere. Tab. 4.3: Segnali del bus di handshake. Attention: indica se i bit presenti sul bus dati ATN devono essere interpretati come dati o comandi. Interface Clear: pone il sistema in uno stato di IFC riposo preconfigurato. Remote Enable: in unione ad altri messaggi REN passa il controllo di uno strumento al controllore. End Or Identify: è utilizzato per indicare la fine del trasferimento di una sequenza di dati EOI oppure per identificareil dispositivo che ha lanciato il segnale SRQ. Service Request: è utilizzato per avvertire il SRQ controller che uno strumento richiede l’interruzione della sequenza in corso.Tutte le linee del bus sono tri-state eccetto le linee di SRQ, NRFD e NDACche sono di tipo open-collector; la terminazione standard di una linea del busprevede un collegamento a massa attraverso una resistenza da 6.2kΩ (±5%)ed uno alla tensione di alimentazione di 5V attraverso una resistenza di 3kΩ(±5%). VCC 5V Fig. 4.4: Terminazione R1 standard del bus GPIB. 3kOhm linea R2 6.2kOhm 38
  43. 43. 4. Bus GPIB4.3 Protocollo SCPIIl protocollo SCPI (Standard Command for Programmable Instruments)definisce un modello generale di strumento programmabile applicabile a tuttele differenti tipologie di strumenti interfacciabili sul bus IEEE488.La struttura del protocollo è di tipo gerarchico così da facilitare l’aggiunta dinuovi comandi per funzioni specifiche dello strumento che deve essereprogrammato. Measurement function Signal Input Sense Calculate Format Data Routing Bus Display Trigger Memory Signal Output Source Calculate Format Data Routing Bus Signal generation Fig. 4.5: Struttura del protocollo SCPI.Il modello utilizzato è riportato in figura 4.5; questo è del tutto generale e siapplica ai vari strumenti utilizzando di volta in volta soltanto i blocchinecessari.I blocchi funzionali della struttura sono: • Signal Rouiting: direziona il segnale nel suo tragitto dalla porta dello strumento alle sue funzionalità interne. • Measurement function: converte il segnale in una forma tale da essere elaborato. 39
  44. 44. 4. Bus GPIB • Signal generation: converte i dati interni in segnali real-words. • Memory: Immagazzina i dati dello strumento. • Format: converte i dati accumulati nello strumento in modo tale da poter essere trasmessi attraverso il bus dati. • Trigger: sincronizza le varie fasi di misura dello strumento con le funzioni interne ed esterne.La funzione di measurement stabilisce il più alto livello di compatibilità tra glistrumenti poiché una misura è caratterizzata dal segnale cioè dai parametridella grandezza e non dalla funzionalità dello strumento.Uno strumento che effettua una specifica misura è intercambiabile con unaltro strumento capace di misurare la stessa grandezza senza cambiare ilcomando SCPI.La funzione measurement è suddivisa in tre blocchi: 1. Input: condiziona il segnale (filtraggio, polarizzazione e attenuazione) 2. Sense: converte le caratteristiche del segnale in dati trattabili dallo strumento (campo di misura, risoluzione, tempo di acquisizione e reiezione di modo comune) 3. Calculate: converte il dato acquisito in un formato idoneo alle specifiche applicazioni per il quale sarà impiegato.La funzione di signal generation converte un dato in uscita sotto forma di unagrandezza fisica; l’applicazione si divide in tre blocchi: 1. Output: condiziona il segnale in uscita dopo che è stato generato. 2. Source: genera un segnale in base alle specifiche fornite ed ai parametri interni. 40
  45. 45. 4. Bus GPIB 3. Calculate: introduce nel segnale elementi che tengono conto di eventuali anomalie nella sua generazione (fattori di correzione per effetti esterni, unità di conversione e cambi di dominio).4.4 Ambienti di programmazioneIl protocollo IEEE488 stabilisce esclusivamente le modalità di colloquio fra ivari dispositivi attraverso il bus di connessione.Per ogni procedura di misurazione occorre effettuare la programmazione delcontroller in maniera appropriata stabilendo la successione delle varie fasidella misurazione, indicando per ciascuna fase, gli strumenti da attivare e laloro configurazione.Il programmatore deve essere pertanto in grado di schematizzare ilprocedimento di misura secondo le modalità riconducibili ad un algoritmo.Inizialmente erano utilizzati ambienti di programmazione come il Pascal ed ilBasic; per redigere un programma occorreva conoscere le regole diprogrammazione del calcolatore utilizzato come controllore e le procedure diconfigurazione e scambio dati degli strumenti utilizzati.Con l’evoluzione degli elaboratori elettronici e l’introduzione del protocolloSCPI la procedura di programmazione è stata notevolmente semplificatapassando dalla classica programmazione basata su comandi ad unaprogrammazione orientata agli oggetti.In generale gli ambienti di programmazione di nuova generazione sono moltosimili a dei CAD e permettono al programmatore di redigere il programmautilizzando una rappresentazione grafica degli strumenti da connettere eagendo su questi può selezionare le funzioni desiderate di ogni periferica.Questi ambienti di programmazione ad oggetti dispongono di una libreriacontenente le caratteristiche funzionali di un gran numero di strumenti 41
  46. 46. 4. Bus GPIBdisponibili sul mercato, la sua rappresentazione grafica ed un’architetturagenerale studiata per essere particolarmente intuitiva per l’utente.Fra i programmi più noti spicca il software LabView[17] della NationalInstruments che offre un potente ambiente di sviluppo grafico per larealizzazione di sistemi di acquisizione, analisi e presentazione dei dati.LabView permette anche di sviluppare degli eseguibili svincolatidall’ambiente di programmazione (stand-alone) che possono esseredistribuiti a vari utenti senza che questi siano in possesso del programmache li ha generati e senza essere a conoscenza di come questi operano.4.5 Standard affini al GPIBNel 1993 la National Instrument propone il bus HS488 (High Speed GPIBHandshake Protocol) che aumenta la velocità di trasferimento dei datirispetto al classico IEEE488 fino a 8Mbyte per secondo nel caso di duedispositivi e ad 1.5Mbyte per secondo con 15 dispositivi connessi e fino adun massimo di 15m di cavo.Questo nuovo tipo di collegamento incrementa le prestazioni del bussemplicemente attenuando i ritardi propagazione sul bus inerenti ai segnalidi handshake.Il limite di questo standard è la non compatibilità con gli standard precedentiche ha portato ad un suo uso limitato[4].Un altro standard nato dal GPIB è il bus HP-IL (Hewlett Packard InterfaceLoop) questo tipo di collegamento è nato per applicazioni portatili e a bassocosto.E’ contraddistinto da una velocità di 20kbyte per secondo (nettamenteinferiore al IEEE488 ma superiore ad altri protocolli seriali come RS-232)prevede che i dispositivi siano interconnessi secondo una configurazione ad 42
  47. 47. 4. Bus GPIBanello chiuso supporta tutte le funzionalità di base del bus GPIB; possocollegare fino a 30 dispositivi impiegando oltre 100m di cavo.Tab. 4.5: Tabella comparativa dei tre bus IEEE488.2-1975, HS488 della National Instrument e HP-IL della HewlettPackard. IEEE488.2 HS488 HP-IL Tasso di 1 Mbyte/s 8 Mbyte/s 20 kbyte/s trasmissione Modalità di Asincrona Asincrona Asincrona trasmissione Max lunghezza dei 20m 15m 100m cavi Logica utilizzata TTL 5v negata TTL 5v negata 3 livelli (-1.5, 0, 1.5v) Compatibilità SI NO NO IEEE488 Max numero di 16 16 31 dispositivi 43
  48. 48. 5. Messa in provaCapitolo 5: Messa in prova In questo capitolo è illustrato l’assemblaggio del sistema completo per eseguire le due prove sui trasformatori. Si svolge inoltre l’analisi dettagliata dell’incertezza di misura complessiva in funzione dello strumento utilizzato e della configurazione di misura adottata. Infine verranno realizzati degli Strumenti Virtuali in LabVIEW[17] VI(Virtual Instruments,) che permetteranno di automatizzare le prove.Messa in provaIl sistema di misura deve essere in grado di testare trasformatori con potenzefino ad 1kVA; un trasformatore con questa potenza ha alla tensione di reteun assorbimento di quasi 5A (formula 5.1).Si dovrà garantire che il sistema possa sopportare quest’intensità di corrente:in particolare si devono utilizzare fili e piste di collegamento di opportunodiametro e spessore per evitare rotture provocate dall’eccessivosurriscaldamento prodotto dal fluire della corrente. 44
  49. 49. 5. Messa in provaInoltre si deve tenere conto dell’effetto di questa corrente anche sullo shuntche andrà dimensionato in modo tale da non riscaldarsi eccessivamente (ilriscaldamento eccessivo provocherebbe una deriva termica del suo valorenominale).5.1 Dimensionamento dei componentiI cavi che si utilizzano sono dei multi-filo da 1.5mm rivestiti in PVC in grado disopportare fino 10A.Tutte le piste dei circuiti stampati sono state realizzate con opportunospessore e distanziamento.Lo shunt da 0.5Ω, quando è collegato al sistema un trasformatore da un1kVA, è sottoposto ad una corrente pari a: P 1000 I MAX = = ≅ 4.55 A [5.1] Vrete 220 Pshunt = Rs I MAX = 0.5 * 4.55 = 10.33W [5.2]Sullo shunt di dissipano circa 10W (formula 5.2) per evitare che il suoriscaldamento influisca sul suo valore nominale: dunque sulla misura siutilizzerà un resistore da 0.5Ω 100W con alta stabilità termica.Per l’inscatolamento del prototipo si è scelto una scatola di derivazione daesterno con piastra di fissaggio metallica collegata a terra.Per le interconnessioni con l’esterno, ovvero le connessioni verso lostrumento di misura e verso il trasformatore in prova, si utilizzano delleboccole a vite da 4 mm per fissaggi a pannello. 45
  50. 50. 5. Messa in prova5.2 Configurazione di misura In figura 5.1 è riportato lo Alimentatore in continua schema della configurazione circuitale Filtro implementata. Tensione V2 V1 Trasformatore Carico Si deve eseguire la misura di rete delle due tensioni V1 e V2. Shunt La tensione V1 è una Fig. 5.1: Schema di principio della configurazione del sistema di misura che deve essere implementato. tensione continuadell’ordine di qualche centinaia di millivolt sovrapposta alla tensione di rete,mentre V2 è una tensione continua dell’ordine di pochi millivolt.Deve essere considerato l’effetto che il rumore presente sui canali diacquisizione ha sulle misure delle due tensioni.Avendo supposto il rumore bianco e gaussiano si riduce la sua influenzaelaborando la misura come media di una serie di acquisizioni.Nel caso della misura di V2 si utilizzeranno cavi schermati per evitarel’influenza di eventuali disturbi indotti.Il modello utilizzato per risalire dalle due tensioni alla temperatura delprimario del trasformatore, è riportato nella formula 5.3; nel paragrafosuccessivo si studierà nel dettaglio la propagazione dell’incertezza di misuraa partire dalle incertezze sulle due tensioni fino ad arrivare a quella sullatemperatura del primario. R2 ϑ2 = (235 + ϑ1 ) − 235 [5.3] R1 46
  51. 51. 5. Messa in prova5.3 Stima dell’incertezzaIn riferimento al modello riportato nell’espressione 5.3, il quadratodell’incertezza sulla temperatura ϑ2, studiata attraverso il modello allederivate parziali avendo supposto non correlate le varie incertezze, èfunzione dell’incertezza sulle due resistenze R1, R2 e sulla temperatura ϑ1secondo la seguente relazione. 2 2 2 ⎛ R (235 + ϑ1 ) ⎞ 2 ⎛ 235 + ϑ1 ⎞ 2 ⎛ R2 ⎞ 2 ⎜ uϑ1 = ⎜ − 2 2 ⎟ u R1 + ⎜ ⎟ ⎜ R ⎟ u R2 + ⎜ ⎟ ⎜R ⎟ uϑ 1 ⎟ [5.4] ⎝ R1 ⎠ ⎝ 1 ⎠ ⎝ 1 ⎠Per stimare l’incertezza totale sulla temperatura del primario ϑ2 si devonostimare precedentemente le altre incertezze del modello.Il valore centrale della misura è il valore medio della popolazione acquisita,l’incertezza associata alla misura è la somma di due contributi: un incertezzadi tipo probabilistico (tipo A) ed un incertezza di tipo strumentale (tipo B).L’incertezza di tipo A è espressa dalla varianza della popolazione moltiplicataper l’inverso della dimensione della popolazione (formula 5.5), mentre,l’incertezza di tipo B è l’incertezza intrinseca del sensore e dello strumento acui è collegato. 1 1 N 1 uA = 2 ∑ ( mi − μ ) 2 = N σ 2 N N −1 1 [5.5]Dove N è la dimensione della popolazione e la varianza è definitamoltiplicando la sommatoria per l’inverso della popolazione meno uno,perché questa definizione permette una stima dell’incertezza migliore perpopolazioni di dimensione ridotta. 47
  52. 52. 5. Messa in prova 5.3.1 Incertezza sulla misura della temperatura ϑ1 L’incertezza sulla temperatura dipende dal trasduttore termico utilizzato e dalla distribuzione dei campioni acquisiti. Il costruttore dello strumento utilizzato (HP34970A) fornisce i valori di accuratezza (a) dello stesso in funzione del trasduttore impiegato. L’accuratezza è fornita come l’ampiezza di un semi-intervallo (a) supponendo di essere in presenza di una distribuzione rettangolare (tabella 5.1). Per passare dall’accuratezza all’incertezza strumentale, sotto le ipotesi fatte in precedenza, si deve dividere il semi-intervallo dato per la radice di 3. a uB = [5.6] 3Tab. 5.1: Accuratezza associata ai varitrasduttori interfacciati dal HP34970A. Tipo del trasduttore a L’incertezza totale è data dalla somma dei Termocoppie J, K 1°C quadrati dei due contributi secondo la relazione: PT100 0.06°C uϑ1 = u A + u B 2 2 2 [5.7] 5.3.2 Incertezza sulla misura delle resistenze R1 e R2 Il valore delle resistenze R1 e R2 viene determinato con il metodo volt- amperometrico (formula 5.8); la corrente è misurata come caduta di tensione su uno shunt resistivo secondo la relazione 5.9. VDC R= [5.8] I DC 48
  53. 53. 5. Messa in prova VS I DC = [5.9] RSL’incertezza relativa al modello espresso dalla 5.8 è pari a: 2 2 ⎛ 1 ⎞ 2 ⎛ V ⎞ 2 u =⎜ 2 ⎜I ⎟ uVDC + ⎜ − DC ⎟ ⎟ u I DC [5.10] R ⎜ I2 ⎟ ⎝ DC ⎠ ⎝ DC ⎠L’incertezza sulla tensione continua è funzione della distribuzione delleacquisizioni e del setup dello strumento utilizzato per eseguire la misura.Il data logger HP34970A esprime l’accuratezza di misura come unapercentuale del valore letto più una percentuale del fondo scala.Noi utilizzeremo fondamentalmente tre scale dello strumento (100mV, 1V e10V); in genere si imposterà in automatico la scelta della scala evitando cosìdi ottenere errori di overload. Tab. 5.2: Accuratezza del HP34970A riferita alle misure di tensione continua. Scala utilizzata %lettura + %fondo scala 100mV 0.005%lettura + 0.004% di 100mV 1V 0.004%lettura + 0.0007% di 1V 10V 0.0035%lettura + 0.0005% di 10VL’accuratezza espressa in tabella 5.2 è fornita come l’ampiezza di un semi-intervallo (a) supponendo di essere in presenza di una distribuzionerettangolare; da questa si può ricavare l’incertezza strumentale a cui deveessere sommata l’incertezza statistica (varianza della popolazione dei datiacquisiti). 49
  54. 54. 5. Messa in prova 1 2 uVDC = u BVDC + 2 2 σ VDC = u BVDC + u AVDC 2 2 [5.11] NPer quanto riguarda l’incertezza della corrente continua, questa deve esserestimata a partire dall’analisi nel modello in formula 5.9; tale analisi porta astimare l’incertezza attraverso la seguente formulazione: 2 2 ⎛ 1 ⎞ 2 ⎛ VS ⎞ 2 u 2 I DC =⎜ ⎜R ⎟ uVS + ⎜ − 2 ⎟ u RS ⎟ ⎜ R ⎟ [5.12] ⎝ S ⎠ ⎝ S ⎠Il contributo uVs si stima come nel caso precedente essendo anche essol’incertezza di una tensione continua acquisita con il logger, mentre ilcontributo sull’incertezza del resistore è fornito dal costruttore.Adesso si hanno a disposizione tutti gli elementi per stimare in manieracorretta l’incertezza totale di misura.5.4 Sviluppo del software di acquisizione datiPer acquisire i dati si è realizzata un interfaccia software in ambienteLabVIEW che permette di impostare e monitorare il data logger attraverso ilbus GPIB.L’interfaccia software esegue anche la stima dell’incertezza di misurasecondo i modelli visti nel paragrafo precedente. 50
  55. 55. 5. Messa in prova Impostazione Fig. 5.2: Diagramma di dei parametri flusso del programma in LabVIEW sviluppato per gestire le acquisizioni. Esecuzione delle misure iniziali Misure inerenti la prova Ripeti il ciclo con il ritardo impostato Inserimento Termina la della misura prova sul grafico Salva i dati acquisitiLo stesso software sarà utilizzato per entrambe le prove semplicementeimpostando il ritardo fra due misure successive a 0 secondi; in questo casolo strumento eseguirà le acquisizioni alla massima velocità possibile.In figura 5.2 è riportato il diagramma di flusso del programma realizzato: ilsoftware è strutturato in modo tale da eseguire prima un’inizializzazione dovesono impostati i tre canali di misura (due per le tensioni ed uno per il sensoredi temperatura) e l’intervallo di tempo fra due successive acquisizioni.L’indirizzo GPIB dello strumento, lo slot utilizzato ed il tipo di trasduttoretermico sono impostati automaticamente (di default il programma prevedeche lo strumento abbia indirizzo 9, si utilizzi lo slot 1 e che il sensore termico 51
  56. 56. 5. Messa in provasia una termocoppia di tipo K) dal software, ma possono essere cambiatiaccedendo al diagramma LabVIEW del programma.Una volta impostati i canali ed il ritardo fra le misure si esegue il programmache acquisisce la temperatura ϑ1 a cui si eseguono le misure e stimal’incertezza su questa, dopo di che misura la resistenza R1 e stima la suaincertezza.La misura della resistenza R2 e la stima della sua incertezza è ripetuta conuna frequenza pari al ritardo impostato; le misure proseguono fino a che nonè premuto il pulsante STOP (figura 5.3).Quando il pulsante STOP è premuto il programma termina l’ultimo ciclo dimisure se questo era in atto e salva i dati.Durante la serie di acquisizioni oltre alla resistenza è misurata, attraversouna termocoppia posta in prossimità dell’avvolgimento primario deltrasformatore, anche la temperatura di quest’ultimo; tale misura è utile in fasedi sviluppo del sistema per verificare l’attendibilità dei valori di temperatura ϑ2ottenuti con la nostra procedura.Ogni valore di temperatura calcolato è immediatamente aggiunto al grafico.I dati che sono salvati su di un file di testo in maniera tabulare sono latemperatura del primario, l’incertezza con cui questa è calcolata, l’istante ditempo nel quale è stata eseguita la misura e la temperatura acquisita con latermocoppia. 52
  57. 57. 5. Messa in prova Fig. 5.3: Pannello di controllo principale dell’interfaccia LabVIEW, nel quale spiccano i 3 comandi per selezionare i canali, il pulsante di STOP ed il label per impostare l’intervallo di tempo fra i cicli di misura; a centro pannello è presente il grafico nel quale sono inseriti in tempo reale i valori di misura rilevati.Nelle caselle “Temperatura primario” ed “Incertezza” del pannello di controllodel programma (figura 5.3) sono riportati i valori di temperatura e diincertezza complessiva relativi all’ultima misura effettuata sul trasformatore. 53

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