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Corso di Laurea in Ingegneria ElettricaCorso di
Strumentazione e misure elettriche9 CFU
Prof. Salvatore [email protected], 0916615270
Ricevimento: durante il corso da lunedi a venerdi ore 11-13, negli altri periodipreferibilmente con appuntamento e-mail o telefonico
Università degli Studi di Palermo Facoltà di Ingegneria
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Testi di riferimento
• Giuseppe Zingales: Metodi e strumenti per le misure elettriche, Ed. Utet
• Mario Savino: Fondamenti di scienza delle misure, Ed. La Nuova Italia Scientifica
• Giorgio Miglio: Processi di misurazione e gestione delle misure, Edizioni Mortarino
• Norma CEI UNI ENV 13005: Guida all’espressione dell’incertezza di misura
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Fondamenti di metrologiaPerché misurare?
• Per conoscere il mondo fisico è necessario poterne quantificare le diverse grandezze.
• L’informazione quantitativa su una grandezza fisica è ottenuta attraverso le misurazioni, impiegando adeguati strumentisecondo opportuni metodi.
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• Ci si accorda– su un attributo d'un fenomeno, d'un corpo o d'una sostanza,
che può essere distinto qualitativamente e determinato quantitativamente grandezza (misurando)
– Esempio: lunghezza– su un’unità di misura (e sul campione che la
rappresenta)– Esempio: piede, palmo,....metro
– su un metodo di misurazione (confronto fra la grandezza da misurare e il campione)
– sulla comunicazione del risultato del confronto, la misura ...e la sua incertezza
Come misurare?
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Fondamenti di metrologiaPerché misurare?
• Motivazioni di tipo commerciale e legale• Motivazioni di tipo tecnico• Motivazioni di tipo scientifico
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Perché misurare?Motivazioni di tipo commerciale e legale
– Determinare il valore (costo) di oggetti– Determinare la quantità di beni
– Esempi:• dimensione di terreni, stoffe, ...• distanze da percorrere, ...• quantità di grano, sementi, acqua, ...
– Regolare le transazioni commerciali– Assicurare la corretta esazione di imposte– Assicurare il rispetto di norme sulla sicurezza,
.....
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– Prove di accettazione per i semilavorati• Intercambiabilità fra i prodotti di più fornitori
–Prove per la verifica della qualità del processo produttivo• Compatibilità fra pezzi provenienti da più processi
–Compatibilità fra pezzi provenienti da più processi
– Prove per la verifica della qualità dei prodotti finiti
–Confronto fra prodotti di fornitori differenti
Perché misurare?Motivazioni di tipo tecnico
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•Anche qui ci si accorda–su un’unità di misura e sul campione–su una procedura di prova
(accordi specifici, norme nazionali o internazionali) –sull’accettazione del prodotto sulla base della prova eseguita
Perché misurare?Motivazioni di tipo tecnico
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Metodo sperimentale (Galileo Galilei)•Teorizzazione di un fenomeno fisico
–Modello (matematico, ...)–Legge fisica
•Esperimento sul fenomeno fisico•Affinamento del modello
–Modifiche –Campo di validità
•Verifica sperimentale
Perché misurare?Motivazioni di tipo scientifico
–Conoscere un fenomeno fisico:– Prevederne il comportamento– Controllarne il comportamento
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La misurazione nella scienza• Indagine sul mondo fisico per ottenere informazioni
quantitative– Modello, metodo di misurazione, unità, campione
• Comunicazione delle informazioni– Intersoggettività dell’informazione– Accordi per la comprensione del messaggio
comunicato– Ripetibilità e Riproducibilità dell’esperimento– Riferibilità della misura
Perché misurare?Motivazioni di tipo scientifico
torna a pag. 32
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• Un insieme di fenomeni o oggetti di cui si considera una determinata proprietà
– Esempio: lunghezza, colore
• Un insieme di relazioni empiriche definite sull’insieme, con riferimento alla proprietà
– Esempio: equivalente, più grande
• Un insieme di numeri, con associate le relazioni fra numeri – Esempio: numeri reali - uguale, maggiore
La misurazione richiede
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• La definizione delle funzioni di trasformazione che permettano il passaggio:
– proprietà ⇒ numeri– relazioni empiriche ⇒ relazioni fra numeri
– Esempi: equivalente ⇒ = (uguale)più grande ⇒ > (maggiore)
• La definizione un’unità di misura con il relativo campione
La misurazione richiede
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Misurare
• Misurare significa dunque acquisire e trasmettere informazioni sul mondo fisico
• Il procedimento con cui si misura si chiama misurazione• La misura di una grandezza è generalmente definita come il
confronto quantitativo di questa stessa grandezza con un’altra grandezza, omogenea con quella che si vuole misurare, che viene considerata come unità di misura.
• La misura è definita quando sono noti l’unità di misura ed una espressione della sua qualità cioè di quanto il risultato si scosta dal “valore vero” del misurando
• Il risultato di una misurazione, l’informazione che si vuole ottenere, si chiama misura, che rappresenta una stima del valore del misurando a causa dell’incertezza nel processo di misurazione
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“Errori e incertezze” nel risultato di una misurazione
• Per approssimazioni, per uso di metodi non idonei, per caratteristiche intrinseche al metodo ed agli strumenti utilizzati, per le grandezze di influenza, il risultato della misurazione può essere diverso dal “valore vero” del misurando: si commette quindi un errore nel risultato della misurazione (che può essere corretto se noto).
• Eseguendo ripetutamente (nelle stesse condizioni: stesso operatore, strumento, metodo, luogo, condizioni ambientali) la misurazione di uno stesso misurando non si trova sempre lo stesso risultato, bensì risultati tra di loro diversi a causa di imperfezioni inevitabili nel processo di misurazione. Tali errori non sono correggibili e la misura sarà affetta da incertezza: parametro, associato al valore (di misura), che caratterizza la dispersione dei valori che può ragionevolmente essere attribuita al misurando
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Misurare
• Per esprimere in modo completo il risultato di una misurazione, sono necessari almeno tre elementi: il valore della misura, l’unità di misura e l’incertezza.
• Il risultato della misura è il valore numerico assegnato alla grandezza misurata (misurando).
• Il numero che esprime la grandezza misurata potrà essere dichiarato solo con un certo margine di incertezza in quanto numerosissimi fattori perturbano le condizioni ideali di lavoro e si oppongono alla conoscenza esatta del mondo fisico (grandezze di influenza)
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• Esempi1) L’interazione del sistema misurato sul trasduttore.(es: in una misura di portata di un fluido caldo, la risposta del trasduttore di portata potrebbe essere modificata dalla temperatura del fluido).2) Il carico strumentale.Lo strumento elettrico che rileva l’uscita del trasduttore carica quest’ultimo con la propria impedenza di ingresso, e pertanto si altera il valore della tensione a vuoto prodotta dal trasduttore.3) Stabilità del sistema ausiliario.Nel caso di sistemi dotati di alimentazione elettrica, il segnale prodotto può risentire della stabilità nel tempo della tensione di alimentazione.4) Le condizioni ambientali.Temperatura, umidità, altitudine, disturbi di natura elettromagnetica, ecc. modificano le condizioni ideali di misura.
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• In una misurazione l’operatore esegue una stima del valore del misurando dovuta agli errori (scarti, scostamenti), inevitabilmente connessi a qualsiasi processo di misurazione.
• Bisogna quindi aggiungere un’indicazione sulla qualità della stima, cioè sulla sua capacità di rappresentare, con un definito livello di probabilità, il valore del misurando, esprimendo così “l’incertezza” di misura.
Stima della misura
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Gli “attori” della misurazione
lo strumento
l’utilizzatore
il misurandoil campione
il sistema misurato
L’unità di misura
il metodo
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• Il misurando è la grandezza sottoposta a misurazione. (ES: la resistenza elettrica).
• Generalmente il misurando viene rappresentato attraverso un modello matematico. (ES: V = R I)
Gli “attori” della misurazione
lo strumento
l’utilizzatore
il misurandoil campione
il sistema misurato
L’unità di misura
il metodo
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• Il campione realizza fisicamente l'unità di misura con la quale si vuole confrontare il misurando.
Gli “attori” della misurazione
lo strumento
l’utilizzatore
il misurandoil campione
il sistema misurato
L’unità di misura
il metodo
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• Con metodo di misura si intende la modalità con cui si esegue il confronto fra misurando e campione.
• Il metodo di misura sfrutta, generalmente, un fenomeno fisico.
Gli “attori” della misurazione
lo strumento
l’utilizzatore
il misurandoil campione
il sistema misurato
L’unità di misura
il metodo
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• Lo strumento è l'oggetto con cui si esegue il confronto fra misurando e campione, secondo le modalità previste dal metodo impiegato.
Gli “attori” della misurazione
lo strumento
l’utilizzatore
il misurandoil campione
il sistema misurato
L’unità di misura
il metodo
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• L’utilizzatore coordina e supervisiona la sequenza di operazioni previste dal metodo di misura impiegato, legge le indicazioni degli strumenti, elabora le letture per ottenere il risultato della misurazione
• Può non essere "umano“ (es: sistemi automatici di misura)
Gli “attori” della misurazione
lo strumento
l’utilizzatore
il misurandoil campione
il sistema misurato
L’unità di misura
il metodo
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• Procedimento di misura che consente il confronto diretto fra il misurando ed una grandezza di riferimento della stessa specie (campione)
Misurazioni dirette
• Esempi:– Misura di lunghezza con un metro– Misura di tensione con un voltmetro
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Misurazioni indirette
• Procedimento di misura in cui il valore del misurando e’ ottenuto elaborando i risultati di una o più misurazioni dirette effettuate su grandezze ad esso collegate
• Esempi:– Velocità: v = l / t– Densità: δ = m / V– Resistenza: R = V / I
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Misurazioni indirette
• La maggior parte delle misure è ottenuta per via indiretta • Motivazione della scelta: quasi sempre per ragioni di
comodità (costo, …)
– Con riferimento agli esempi:– la densità potrebbe essere ottenuta anche con un
densimetro– la resistenza potrebbe essere ottenuta per confronto
con resistore campione
