Progettazione della strumentazione: sfide e soluzioni

La strumentazione consente agli ingegneri di vedere e capire cosa sta accadendo su differenti processi elettronici e meccanici o sistemi. Questi dispositivi ottengono, analizzano e mostrano dati, permettendo agli ingegneri di monitorare e controllare macchinari e realizzare tutte le correzioni necessarie. Durante le prove e la prototipizzazione, gli strumenti consentono miglioramenti dei circuiti così che nuovi e migliori progetti possano essere creati. Strumenti dalle capacità elevate con ampia funzionalità ed utilizzabilità sono necessari per incontrare le sfide di progettazione presentate da una varietà di applicazioni.

Introduzione

Mercati differenti prevedono caratteristiche diverse per uno strumento: il mercato militare è guidato dall'affidabilità; il mercato di consumo è guidato dal costo; il mercato medicale è guidato dalla sicurezza; mentre il mercato automotive è una combinazione di tutti i fattori sopracitati. Dunque è molto importante puntare a nuovi strumenti, progettati per incontrare requisiti futuri che, generalmente, devono avere una o più delle seguenti caratteristiche:

  • Velocità elevate. Una sfida per la strumentazione moderna è collezionare, senza perdita, un grande numero di segnali estraendo in modo efficiente ed ad alta velocità le informazione codificate in questi segnali. Velocità di misurazione più elevate necessitano di sufficiente spazio nella memoria per accumulare i dati raccolti sul campo. Una delle specifiche più importanti qui è la frequenza di campionamento (sample rate), legata alla velocità alla quale gli ADC (Analog Digital Converter) catturano i campioni del segnale di un sensore con funzionalità di misura ambientale come la temperatura, umidità e pressione.
  • Dimensioni ridotte. Una delle tendenze emergenti nel mercato della strumentazione è la miniaturizzazione dei dispositivi. Sempre più capacità sono presenti nei dispositivi di nuova generazione dalle ridotte dimensioni che, allo stesso tempo, sono in grado di mantenere equivalenti prestazioni in termini di precisione nella misurazione. Fattori di forma più piccoli sono richiesti per le piattaforme con canali provvisti di contatori ad un maggior numero di bit, utilizzati nei laboratori per le prove da banco. La miniaturizzazione degli strumenti facilita l'incorporamento in molti sistemi industriali. Inoltre, la progettazione di strumentazione per applicazioni medicali impone piccole dimensioni per ridurre peso e spazio dei dispositivi impiantati nei pazienti.
  • Consumi di potenza ridotti. Senza l'eliminazione di funzioni o l'incremento di requisiti di amplificazione, i nuovi dispositivi consentono di ridurre il consumo di potenza comparandoli rispetto alla precedenti generazione. L'alimentazione è un problema per gli sviluppatori di IoT e i collegamenti di comunicazione sono uno degli elementi più "affamati" di energia. Mentre i sensori e le altre periferiche possono essere spenti per lunghi periodi di tempo, le comunicazioni, in particolare nei ricevitori, spesso devono essere mantenuti in modalità di ascolto per le relative trasmissioni.
  • Maggiore immunità ai rumori ed alle interfacce fisiche ed elettriche. I requisiti operazionali impongono agli strumenti di lavorare in ambienti con possibili presenza di rumore, vibrazioni, e traumi fisici, sfide per nulla banali per i progettisti. Nelle applicazioni industriali, i moduli di ingresso analogici spesso devono acquisire e processare segnali provenienti da sensori remoti posizionati in ambienti rigidi caratterizzati da temperature estreme ed umidità, oltre alla presenza di possibili materiali chimici corrosivi o esplosivi. Strumenti portabili, che per la maggior parte sono dotati di interfacce per la connessione a reti (cavo RJ45), potrebbero anche essere soggetti a cicli di lavoro che includono temperatura estreme come anche affaticamenti fisici ed umidità.
  • Incremento dell'affidabilità dei sistemi e riduzione dei tempi di inattività. L'affidabilità dei sistemi è di importanza primaria, come il costo dell'inattività dovuto ai fallimenti dell'equipaggiamento che può essere molto influente. Un fallimento elettronico nelle operazioni di assemblaggio esterne su di un trapano, per esempio, può prendere più di un giorno per il recupero e la sostituzione, durante il quale il costo per mantenere attive le operazioni si incrementa notevolmente.
  • Minima conversione degli errori. Uno degli esempi è il basso rumore di quantizzazione. L'ingresso analogico all'ADC è un segnale continuo con un numero infinito di possibili stati, al contrario l'uscita digitale è una funzione discreta con differenti stati determinata dalla risoluzione del dispositivo. Nella conversione da analogico a digitale, le parti del segnale analogico, che sono rappresentate da differenti tensioni sull'ingresso, potrebbero essere rappresentate dallo stesso codice digitale in uscita. Come risultato, alcune informazioni sono essere perse e la loro distorsione viene introdotta nel segnale. Questo è conosciuto come errore di quantizzazione. Il corrispondente rumore (rumore di quantizzazione) è un modello impiegato nei vari sistemi di telecomunicazioni e soprattutto nell'elaborazione numerica dei segnali.
  • Una risoluzione più elevata ed una larghezza di banda adeguata. L'accuratezza è definita come una misura della capacità di uno strumento di indicare fedelmente il valore di un segnale misurato. La larghezza di banda descrive l'intervallo di frequenza nel quale il segnale in ingresso può passare attraverso la parte anteriore del segnale analogico con una minima perdita di ampiezza.
  • Un efficiente progetto di raffreddamento. Elementi con elevate dissipazioni di calore non devono essere posizionati vicino a componenti sensibili al calore stesso, e il flusso d'aria deve essere adeguato ovunque nel dispositivo.

Identificazione in blocchi

Una volta che le condizioni operative e le specifiche prestazioni di uno strumento sono state determinate, i componenti funzionali del dispositivo devono essere identificati in blocchi. Devono [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 22 novembre 2017

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