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INCERTEZZA E TARATURA
IL TEMA
A. Carullo, S. Corbellini, A. Vallan
Misura di temperatura con scheda a micro-controllore Stima dell’incertezza con l’approccio GUM
TEMPERATURE MEASUREMENT WITH A MICRO-CONTROLLER BASED BOARD The paper refers to the measurement of the temperature in a climatic chamber through a measuring chain that includes a Resistive Temperature Detector (RTD), a simple conditioning circuitry and a low-cost commercial micro-controller based board. The advantages that are related to the characterization of the Analogue-to-Digital Converter internal to the board and the implementation of a dithering technique are highlighted. The measurement uncertainty is evaluated according to the GUM framework. The content of this paper is the Italian version of a contribution to the EMPIR Project 17NRM05 “Examples of Measurement Uncertainty Evaluation” (EMUE). RIASSUNTO In questa memoria è descritto un sistema di misura della temperatura all’interno di una camera climatica basato su un sensore resistivo (RTD), un semplice circuito di condizionamento e una scheda commerciale a micro-controllore a basso costo. L’incertezza di misura della temperatura è valutata secondo l’approccio GUM, mettendo in evidenza i vantaggi derivanti dalla caratterizzazione del convertitore Analogico/Digitale interno alla scheda e dall’utilizzo di una tecnica di dithering. Il contenuto della memoria è la versione in Italiano di un contributo al progetto EMPIR 17NRM05 “Examples of Measurement Uncertainty Evaluation” (EMUE).
a micro-controllore. Lo schema completo del circuito di misura è mostrato nella Fig. 1, dove R è la resistenza del sensore e RF è un resistore fisso di valore noto. L’ADC ha un campo di misura unipolare e la sua tensione di riferimento VFR è impostata al valore della tensione VS (valore nominale 5 V) che alimenta il divisore resistivo, ottenendo così una misura raziometrica. Le principali caratteristiche dell’ADC sono elencate di seguito: – massima frequenza di campionamento: fs,max = 76,9 kSa/s; – risoluzione: Nb = 10 bit (8 bit se fs > 15 kSa/s); – non linearità integrale: INL = ± 0,5 LSB; – errore totale (Total Unadjusted Error): TUE = ± 2 LSB; – resistenza d’ingresso: RIN = 100 MΩ.
DEFINIZIONE DEL MISURANDO E MODELLO DI MISURA
La grandezza in misura è la temperatura all’interno di una camera climatica, che è programmata per eseguire cicli termici nel campo compreso tra 10 °C e 70 °C con un tasso massimo di variazione pari a 1 °C/s. I principali requisiti di misura Figura 1 – Il sistema di misura sono un’incertezza tipo di 2,0 °C e una risoluzione di 0,4 °C. della temperatura tramite sensore Pt100 La temperatura è rilevata mediante un sensore resistivo al platino (Pt100), la cui funzione ingresso/uscita è rappresentata dall’equazione di Calendar-Van Dusen [1]: Il valore del resistore RF è stato scelto tenendo conto della sensibilità Sθ della (1) tensione di uscita V rispetto allaVF tempeF ratura θ e dell’autoriscaldamento del dove R0 = 100 Ω, A = 3,9083×10-3 (°C)-1, B = -5,775×10-7 (°C)-2. sensore Pt100. La tensione VF del circuito di Fig. 1 è facilmente ottenuta come: Il dispositivo disponibile è un sensore a 4 fili in classe A [1], che è caratterizzato da una costante di tempo t = 0,1 s, una resistenza termica di 20 °C/W, un campo di misura da -30 °C a +300 °C e un massimo errore ammesso espresso (3) dalla seguente relazione:
ߜߠௌ ൌ േሺͲǡͳͷ ͲǡͲͲʹ ڄȁߠȁሻ᩸°
(2)
Le variazioni di resistenza del sensore sono convertite in un segnale di tensione Politecnico di Torino, Dip. Elettronica mediante un semplice divisore resistivo e il segnale risultante è convertito in codi- e Telecomunicazioni ce numerico da un convertitore Analogico-Digitale (ADC) interno a una scheda alessio.carullo@polito.it T_M
N.
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