STRUMENTI DI MISURA - uniroma1.it

1 LABORATORIO DI FISICA INGEGNERIA "La Sapienza" Prof. A. Sciubba STRUMENTI SSTTRRUUMMEENNTTII DDII MMIISSUURRAA INTRODUZIONE La MISURA di una grandezza fisica richiede il confronto con il campione primario dell'unit di MISURA ad essa omogenea. Questo tipo di MISURA , detta fondamentale, limitato al caso particolarissimo della riproduzione del campione di unit di MISURA . Molto pi spesso sufficiente confrontare la grandezza fisica con un campione secondario o utilizzare uno strumento che, grazie alla taratura[1] effettuata dal suo costruttore, conserva memoria del campione di unit di MISURA .

2 Il compito di uno strumento di MISURA la percezione del valore del misurando o di un segnale di MISURA che ne rappresenta il valore; la trasmissione e conversione del segnale; la visualizzazione del risultato. Il principio fisico sfruttato in uno strumento per eseguire la misurazione pu essere il pi vario: deformazioni elastiche, dilatazione termica, effetti magnetici e termici delle correnti elettriche, variazioni dei parametri di componenti elettrici (resistenza, capacit , induttanza), interferenza luminosa, ritardo temporale tra trasmissione e ricezione di un segnale.

3 Il pi generale apparecchio di MISURA si pu rappresentare con uno schema a blocchi dove E rappresenta l'entrata dello strumento, U l'uscita e 0 l'indicatore di zero. ES/TA/MUg e' e'' e'''U0u e', e'', e''' = disturbi che sono cause di errore (variazioni di grandezze influenti) u = f(g) funzione di trasferimento/caratteristica/curva di risposta o di graduazione dello strumento In questa schematizzazione, quando si effettua una misurazione, l'oggetto definito come misurando va posto in contatto attraverso la porta d'entrata E con l'apparecchio; cio bisogna inserire lo strumento.

4 A questo punto lo strumento produce all'uscita U un effetto che in relazione con la grandezza g in MISURA . Il momento adatto per leggere la risposta u dello strumento segnalato dall'indicatore di zero. Il primo elemento di uno strumento (sensore e/o trasduttore: S/T) preleva ("sente") il valore del misurando e produce un corrispondente segnale di MISURA ; spesso opera anche una 1 Pi correttamente l'operazione di memorizzazione dell'unit di MISURA viene detta graduazione (il costruttore incide le tacche sullo strumento capostipite di serie in base alla sua risposta a sollecitazioni note) LABORATORIO DI FISICA - INGEGNERIA "La Sapienza" gennaio 2003 STRUMENTI "trasduzione" del tipo di grandezza (ad esempio trasforma uno spostamento in una variazione di resistenza o una variazione di temperatura in una variazione di volume, ecc.)

5 Segue uno stadio (di amplificazione o manipolazione: A/M) che amplifica elettronicamente o manipola meccanicamente il segnale di MISURA prodotto dallo stadio precedente. In generale la trasmissione fra il primo e l'ultimo elemento di uno strumento avviene mediante amplificatori, attenuatori, filtri, trasduttori, convertitori e trasmettitori. L'elemento finale il dispositivo di lettura. A seconda della risposta fornita dal dispositivo di uscita lo strumento pu essere analogico o digitale: analogico se l'uscita rappresentata da una grandezza che segue con continuit le variazioni dell'ingresso (ad esempio un indice su una scala); digitale se l'uscita rappresenta il numero delle volte che un digit della grandezza da misurare entra nella grandezza stessa (ad esempio il numero visualizzato su un display)[2].

6 Lo strumento di uscita pu essere anche uno schermo, un contatore elettromeccanico, una stampante, un dispositivo acustico, la memoria di un elaboratore, una memoria di massa (disco flessibile, disco rigido, etc.). La serie di elementi di un apparecchio di MISURA che costituisce il percorso del segnale di MISURA dall'ingresso all'uscita viene detta catena di MISURA . I suoi elementi possono non essere nello stesso luogo (dati prodotti dal sensore e trasmessi a distanza al dispositivo di uscita: telemetria) o nello stesso tempo (i dati prodotti dai primi elementi della catena di MISURA vengono memorizzati e successivamente sono elaborati e visualizzati: oscilloscopi digitali) Alcuni STRUMENTI sono in grado di misurare pi grandezze fisiche fra loro non omogenee ( un tester MISURA tensioni, correnti, resistenze, capacit , frequenze, etc.)

7 Altri possono fornire il valore di pi misurandi contemporaneamente ( oscilloscopio a doppia traccia). Pu sembrare a prima vista che molti STRUMENTI di MISURA non siano riconducibili allo schema indicato in figura: dove si trovano l'entrata, l'uscita e l'indicatore di zero quando si MISURA la lunghezza di un'asta con un regolo graduato? Anche in questo semplicissimo caso, tuttavia, con un leggero artificio, si pu riconoscere nell'apparecchio di MISURA un'entrata (l'inizio dell'asta allineato con l'inizio del regolo), una uscita (la fine dell'asta indica l'uscita sul regolo) e un indicatore di zero (la lettura va effettuata sulla scala del regolo solo quando in corrispondenza della fine dell'asta).

8 2 vedremo che la differenza fra una scala digitale e una analogica perde di significato quando l'incremento digitale pi piccolo dell'incertezza dell'indicazione (precisione). LABORATORIO DI FISICA - INGEGNERIA "La Sapienza" gennaio 2003 STRUMENTI CARATTERISTICHE GENERALI DEGLI STRUMENTI GRADUAZIONE E TARATURA Per comprendere il significato dell indicazione fornita da uno strumento bene considerare la sequenza delle principali operazioni che, almeno in linea di principio, devono essere effettuate durante la realizzazione di uno strumento di MISURA .

9 Supponiamo di aver gi costruito un dispositivo che sollecitato da una grandezza fisica g [3] fornisce una risposta u che pu essere l angolo che un indice ruotante forma rispetto ad una direzione di riferimento, la distanza di un punto luminoso da un punto di riferimento arbitrario, un numero visualizzato su un contatore. Fino a momento ancora non stata stabilita quantitativamente la relazione numerica fra l entit della grandezza in MISURA e l indicazione dello strumento di uscita. Sollecitiamo ora il dispositivo con grandezze fisiche di entit nota (perch derivate direttamente dalla definizione del campione di unit di MISURA o, pi frequentemente, perch misurate con STRUMENTI di qualit superiore a quella dello strumento che si sta per realizzare).

10 Realizziamo quindi per punti un grafico (di taratura) del tipo: In questo esempio la dipendenza di u da g (curva di risposta dello strumento) sostanzialmente lineare per un intervallo di valori di g che verr assunto come campo di MISURA dello strumento[4] (il costruttore garantir che all interno di quell'intervallo lo strumento funziona correttamente). Il valore massimo misurabile , detto fondo scala dello strumento, coincide con l estremo superiore del campo di MISURA ; se l estremo inferiore nullo il campo di MISURA viene detto portata.