OGGETTO:

Conversione  DR / DV

Scopo dell'esperienza :

Abbiamo effettuato questa esperienza affinché si potesse trasformare una variazione fisica in una variazione di tensione .

Cenni teorici e Caratteristiche dell'oggetto:

Sono elementi che trasformano una determinata grandezza in ingresso in un'altra di uscita (elettrica) legata alla prima da una legge di corrispondenza nota .

Nei trasduttori sono di solito specificati un campo(range) di ingresso (o portata), che definisce i limiti entro cui può variare l'ingresso e il corrispondente campo di variazione dell'uscita . Si definisce quindi sensibilità (S) di un trasduttore il rapporto fra la variazione dell'uscita e quella dell'ingresso che la determinata: S=Do/Di .

In generale, la sensibilità non è costante in tutto il range di ingresso, dove a Di uguali corrispondono Do diverse;lo diventa se il trasduttore è lineare, cioè se la sua caratteristica è una retta . Quando non è possibile avere linearità si ricorre a dei circuiti di linearizzazione . L'errore risultante dal considerare lineare un trasduttore che non lo è si chiama errore di non linearità ed è espresso come scostamento massimo dalla retta ideale, eventualmente come percentuale del fondo scala, cioè del massimo ingresso misurabile . L'errore di non linearità è una grave limitazione, perché la su correzione in generale non è possibile, se non introducendo circuiti di condizionamento che presentino non linearità uguali ed opposte, ma questo non è sempre possibile visto che l'andamento della linearità non è noto a priori . Più semplice è correggere gli errori di Offset  e di guadagno: è sufficiente agire sull'offset e sul guadagno del circuito di condizionamento .

Il trasduttore è diviso in due parti:

Sensore: elemento a contatto con la grandezza da misurare;

Trasduttore: rileva le variazioni del sensore e le rende adatte alla trasmissione(elabora) .

I sensori possono essere:

meccanici: (molle) rilevano le variazioni della grandezza tramite variazioni geometriche;

elettrici: Danno un segnale di tipo elettrico facilmente amplificabile (molto usati);

ottici .

Le caratteristiche dei trasduttori sono Ideali: quando sono conosciute a priori,mentre sono Reali: quando per determinarle occorre una taratura del trasduttore . Molti trasduttori sono resistenze sensibili a una particolare grandezza fisica(sorgente di informazioni),cioè la resistenza cambia il suo valore se cambia la grandezza fisica da misurare . Con R intendiamo il valore della resistenza quando la grandezza fisica da misurare è nulla . Con DR indichiamo invece l'incremento di resistenza dovuto alla variazione della grandezza fisica da misurare . E' evidente che quando la grandezza fisica assume il suo valore massimo, la resistenza del trasduttore prende il valore

R + DRmax . Nella prova il trasduttore viene simulato con 2 resistenze in serie: una fissa:R e l'altra variabile: DR che dipende dalla grandezza da misurare .

Scelta degli apparecchi usati:

3 masse;

1 batteria per l'alimentazione;

2 amplificatori operazionali ideali;

1 resistenza variabile;

3 Resistenze da 1 KW

2 Resistenze da 10KW

1 Resistenze da 220 KW

1 voltmetro .

Esecuzione della prova :

Prima di effettuare la prova abbiamo eseguito tutti i calcoli che ci servivano per raggiungere i risultati desiderati . Siamo quindi giunti alla formula che indica la funzione di trasferimento dove : Vo= - [ Vr / (R+Ro) ] * DR . Poi abbiamo continuato effettuando i seguenti calcoli:

R (T) = R + DR

R = 10KW Þ W

DRmax = 50 W Þ 0 < = DR < = 50

Quindi se DR = 50 W Þ Vo = 5 V

Ro = 1KW

Successivamente sostituendo i valori, alla seguente formula:

Vo= - [ Vr / (R+Ro) ] * DR

abbiamo ottenuto che :

5= - [Vr/(10000+Ro)]*50

Visto che Ro=1KW otteniamo che:

5= - (Vr/11000)*50 Þ Vr=- (5*11000)/50 Þ Vr=-l1000 . Ma non è fattibile avere una tensione negativa di questa grandezza, per cui si sceglie Vr' =5V .

Vr' =5V   Þ Vo'=½(Vr/11000)*50½= 250/11000 = 22,73 mV .

A questo punto ci siamo chiesti di quanto doveva essere amplificata la tensione affinché diventi 5V .

Quindi usiamo AV(amplificazione di tensione),ricordando che Vo'=22 . 73mV, calcolando l'amplificazione con questa formula:

AV= Vo/Vo' Þ AV=5000/22 . 73= 220, poi:

AV= -R2/R1    Þ R1=1KW e R2=220KW

Cosè abbiamo trovato i valori delle resistenze che ci servivano per simulare il funzionamento del circuito .

Quindi siamo andati in laboratorio e tramite il programma di simulazione Multisim2001 abbiamo simulato il funzionamento del trasduttore .

Abbiamo preso dai componenti 2 amplificatori operazionali e li abbiamo invertiti verticalmente tramite il comando "Flip Vertical" per far risultare il terminale invertente sulla parte superiore dell'amplificatore, così da seguire pari pari il disegno fornitoci dal Professore in classe . Così li abbiamo collegati tramite una resistenza da 1KW, ovvero l'uscita del primo operazionale l'abbiamo collegata con l'ingresso invertente del secondo operazionale . Nel primo operazionale, all'ingresso non invertente abbiamo aggiunto 3 resistenze: la prima da 10KW collegata con la seconda, da 50W,che rappresenta una resistenza variabile dotata di cursore, tramite il quale si ha un contatto strisciante sulle spire . L'ultima resistenza l'abbiamo presa da 1KW e collegata con un'altra uguale che termina nell'ingresso non invertente del primo operazionale . Queste ultime 2 resistenze, più una terza da 10KW(relativa all'ingresso non invertente),le abbiamo collegate ad una pila per fornire al circuito un'alimentazione . Ci siamo serviti di una sola batteria perché, prendendo tutti amplificatori ideali, e non reali, si alimentano da soli . Poi la pila l'abbiamo collegata a massa . Nel secondo operazionale invece, l'ingresso non invertente lo abbiamo collegato a massa, mentre quello invertente lo abbiamo collegato con l'ingresso positivo del voltmetro di cui ci siamo serviti per rilevare la tensione . Infine l'ingresso negativo di questo strumento lo abbiamo collegato a massa . Così abbiamo terminato il montaggio del circuito al computer . Successivamente abbiamo acceso l'interruttore che il programma mette a disposizione per la simulazione del circuito e abbiamo notato come i valori della tensione variassero al variare di DR% . Per cambiare la percentuale, premevamo sul tasto "A", minuscolo sulla tastiera, ottenendo così la variazione da 0% fino a 100% .

Schema elettrico:

Tabelle:

Abbiamo quindi riportato i valori ottenuti durante la simulazione su di una tabella, qui di seguito mostrata:

Conclusioni:

Da questa prima esperienza di laboratorio abbiamo potuto osservare la formula risolutrice dello schema elettrico di un trasduttore e abbiamo fatto le seguenti considerazioni:

Vo= - [ Vr / (R+Ro) ] * DR

Partendo dalla formula generale abbiamo notato che a seconda delle dimensioni della resistenza R avremmo avuto correnti grandi oppure piccole . Se prendevamo il valore di R piccolo abbiamo potuto capire che avremmo ottenuto grandi correnti, mentre se prendevamo R con una valore grande sarebbe accaduto l'inverso, ovvero ci saremmo trovati di fronte a piccole correnti . Siamo quindi arrivati alla conclusione che si sceglie un valore grande per la resistenza R, avremmo aumentato quindi anche l'autonomia dei dispositivi .

Dai risultati nella tabella, qui sopra riportati, possiamo notare come al variare di DR%, ovvero la variazione di resistenza, vari anche la tensione di uscita . Ci siamo serviti di un Voltmetro per far notare i vari cambiamenti di tensione, a partire da 0 . 008Volt allo 0% fino a 5Volt a 100%, valore che ci eravamo prefissati di raggiungere .