Tesi di Laurea Studio, progetto e realizzazione di un impedenzimetro elettrochimico basato su DSP...

Tesi di Laurea

Studio, progetto e realizzazione di un impedenzimetro

elettrochimico basato su DSP

POLITECNICO DI TORINO

II Facoltà di IngegneriaCorso di Laurea in Ingegneria Elettronica

Relatori:

prof. Marco Parvis

prof. Franco Ferraris

Candidati:

Stefano Bovio

Danilo DolfiniLuglio 1999

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Politecnico di Torino, II Facoltà di Vercelli

Bovio & Dolfini

Sommario

• Scopo della tesi

• Analisi del misurando

• Specifiche e problemi di misurazione

• Il sistema realizzato

• Risultati ottenuti

• Esempi di misurazione

• Conclusioni

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Bovio & Dolfini

Scopo della Tesi

• Analisi dello stato di salute dei monumenti

metallici

• Progetto e sviluppo di uno strumento

portatile ed economico

• Collaborazione con il Diparimento di

Scienza dei Materiali ed Ing. Chimica

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Bovio & Dolfini

Seconda armaturaRivestimento

protettivo

Natura del misurando

• Modello elettrico del misurando

Struttura metallica

• Struttura metallica

• Rivestimento protettivo

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Bovio & Dolfini

Cella elettrochimica• Deve assicurare un buon contatto elettrico con il rivestimento

• Struttura a tre elettrodi

– contro-elettrodo– elettrodo di lavoro

– elettrodo di riferimento

• Soluzione chimica

– soluzione acquosa di solfato di piombo

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Bovio & Dolfini

Modello elettrico del misurando

• Conducibilità dello strato di vernice

• Impurità superficiali

C ~ 1 nF

Rp ~ 1 G

Rs ~ 10 K

• Capacità dello strato di vernice

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Bovio & Dolfini

Specifiche di misura

• Possibilità di un’analisi in frequenza da 0.1 Hz a 10 kHz

• Segnale applicabile: 10 mV

• Incertezza richiesta– modulo: 5-10 % - fase: 5°

• Campo di impedenze da misurare– limite inferiore: 1 k @ 10 kHz– limite superiore: 1 G @ 0.1 Hz

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Bovio & Dolfini

Problemi di misura

• Campo di correnti da misurare

– da 10 pA a 10 A (6 decadi)

• Suscettibilità al rumore

– in particolare 50 Hz

• Fenomeni parassiti

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Bovio & Dolfini

Architettura del sistema

• Scheda DSK fornita dalla Texas Instruments

DSK

Interfaccia

Cella

SM

• Cella elettrochimica• Personal Computer• Software di comunicazione tra DSK e PC• Interfaccia tra DSK e cella elettrochimica• Software di misura e di controllo

SC

10


Bovio & Dolfini

Metodo di misura• Generazione della tensione e misurazione della

corrente• Autotaratura del sistema

Zcampione

Amplificatore d’ingresso

Convertitore I/V

Zx (cella)

Vout

Vin

Imisurata

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Bovio & Dolfini

Convertitore corrente-tensione• Schema della soluzione adottata

+++

__

Imisurata

Vout

Voffset

Vmis.

R1

R5

R6

Amplificatore con LPF a frequenza variabile

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Bovio & Dolfini

Convertitore corrente-tensione

• Soluzione a “doppio T”

+_

R1

Ra

RbR2

Rf

Imisurata

Vmis.

++

+

__

Imisurata

Vout

Voffset

Vmis.

R

1

R

5

R

6

Amplificatore con LPF a frequenza variabile

21 R

R

R

RRR

f

b

a

eq

0

1020304050607080

Guadagno (Req)

Guadagno rumore [dB]

Gn1 Gn2

Vn1 Vn2

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Bovio & Dolfini

Metodo numerico di misura• Algoritmo di stima basato sui minimi

quadrati

)cos()sin()( tBtAti

)(cos2

B )(sin2

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kikn

kikn

An

k

n

k

• Ipotesi:– la generazione ed il campionamento sono sincroni– campionamento di un numero intero di periodi

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Bovio & Dolfini

Software• DLL in Visual C++

– funzioni per la comunicazione tra DSK e PC

• Interfaccia grafica in Visual Basic– elaborazione grafica dei risultati

• diagrammi di Bode

• diagramma di Nyquist

• Programma di

gestione in assembler

DSK

Interfaccia

Cella

SM

SC

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Bovio & Dolfini

Architettura dell’interfaccia• Scheda di amplificazione• Scheda di gestione

Amplificatore

Scheda di

gestione

Scheda di espansione

Tastierino Display LCD

• Scheda di espansione• Interfaccia utente

DSK Cella

Interfaccia

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Bovio & Dolfini

Amplificatore• Guadagno variabile

– da 5·105 a 5·1010

• Elevata immunità ai disturbi elettromagnetici– filtri a frequenza di taglio variabile– filtro elimina-banda a 50 Hz

• Potenziostato

• Predisposizione per la compensazione attiva degli offset

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Bovio & Dolfini

Scheda di espansione• Ram: 32k x 32 bit

• Eprom: 32k x 8 bit• I/O latch

– relè amplificatore– tastierino

• Stand-by– possibilità di spegnere il DSP conservando le misure– monitor batteria

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Bovio & Dolfini

Scheda di gestione

• Controlli

– alimentazione

– display LCD

– tastierino (mouse)

• Regolatore offset

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Bovio & Dolfini

Risultati ottenuti

• Ripetibilità della funzione di taratura

• Misurazione di un condensatore che emula la cella

• Misurazioni al di fuori del campo di progetto

• Caratteristica a vuoto

• Misurazione con la cella elettrochimica

• Esempio di misurazione (filmato)

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Bovio & Dolfini

Risultati ottenuti• Ripetibilità della funzione di taratura

Deviazione standard della funzione di autotaratura

101

102

1030.01

0.02

0.03

0.04

Mod

ulo

[%]

101

102

103

0.005

0.01

0.015

0.02

Fas

e [°

]

Frequenza [Hz]

G [] m [%] f [°]

10 k 0.2 0.07

100 k 0.2 0.09

1 M 0.04 0.02

10 M 0.06 0.05

100 M 0.09 0.07

21


Bovio & Dolfini

Risultati ottenuti• Misurazione di un condensatore da 10 nF

10-1

100

101

102

103

-4

-2

0

2

Err

ore

Mod

ulo

[%]

10-1

100

101

102

103

-1

-0.5

0

0.5

1

Err

ore

Fas

e [°

]

Frequenza [Hz]

Incertezza sul modulo < 4%

Incertezza sulla fase < 1°

Con correzione software

Incertezza sul modulo < 2%

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Bovio & Dolfini

33 nF

10-1

100

101

102

103

104

106

108

1010

Frequenza [Hz]

Imp

eden

za [

Oh

m]

Zona

proibita

(problemi di oscillazione)

Risultati ottenuti• Diagramma delle incertezze

33 nF

1 nF

330 pF4% - 1°

8% - 2°

13% - 4°

C = 100 pF

C = 56 pF

C = 33 pF

C = 10 pF

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Bovio & Dolfini

10-1

100

1010

10

20

30

40

50

erro

re %

mod

ulo

10-1

100

1010

10

20

30

40

Frequenza [Hz]

erro

re f

ase

[°]

Risultati ottenuti• Misurazioni al di fuori del campo di progetto

C = 100 pF

C = 56 pF

C = 33 pF

C = 10 pF

Zmax 16 G

Zmax 28 G

Zmax 48 G

Zmax 160 G

24


Bovio & Dolfini

10-1

100

10110

9

1010

1011

Mod

ulo

[Ohm

]

10-1

100

101

-100

-80

-60

-40

Fas

e [°

]

Frequenza [Hz]

Risultati ottenuti• Misurazione a vuoto

Capacità

stimata

6.8 pF

(~ 200 G @0.1 Hz)

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Bovio & Dolfini

• Misurazione a vuoto– strumento commerciale di riferimento

Capacità

stimata

2 pF

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Bovio & Dolfini

Risultati ottenuti• Esempio di misurazione con la cella

100

101

102

10310

4

106

108

Mod

ulo

[Ohm

]

100

101

102

103-100

-90

-80

-70

-60

-50

Fas

e [°

]

Frequenza [Hz]

Con strumento realizzato

Con strumento

commerciale di

riferimento

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Bovio & Dolfini

Esempio di misurazione• Provino integro

Modulo dell’impedenza misurata

N° misureLog (f)

Log

(mod

ulo)

Fase dell’impedenza misurata

N° misureLog (f)

Fas

e [°

]

• Provino in degrado

• Provino asciugato

• Il degrado si ripete

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Bovio & Dolfini

0 50 100 150 200 250 300 3500

1000

2000

Rp

[Moh

m]

0 50 100 150 200 250 300 350

1000

1500

2000

Cp

[pF

]

0 50 100 150 200 250 300 3500

1

2

Rp*

Cp

[s]

tempo [min]

Esempio di misurazione

• Modello RC parallelo

Degrado tra misurazioni successive

Degrado anche in

assenza di segnale

Degrado indipendente dal

segnale

Degrado quasi

reversibile

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Bovio & Dolfini

Esempio di misurazione

• Filmato di una misurazione assistita da un PC

se si desidera vedere questo filmato potete richiederlo per e-mail

mailto:[email protected]

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Bovio & Dolfini

!!Conclusioni

• Il sistema realizzato è ...

...caratterizzato, per misurandi tipici, da una incertezza sul modulo inferiore al 4% e sulla fase inferiore ad 1°

...portatile e facile da usare

...di basso costo– circa 20 volte inferiore rispetto al costo dello

strumento commerciale di riferimento

• Gli obiettivi prefissati sono stati raggiunti.

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Bovio & Dolfini

??Problemi aperti

• Software– algoritmo di stima, su un numero non intero di

periodi, per velocizzare le misure in bassa frequenza– algoritmo per la valutazione qualitativa delle misure– modello raffinato dei parametri parassiti

• Realizzazione industriale delle schede

• Cella elettrochimica– realizzazione a doppio contatto per minimizzare gli

effetti dei disturbi elettromagnetici

Tesi di Laurea

Studio, progetto e realizzazione di un impedenzimetro

elettrochimico basato su DSP

POLITECNICO DI TORINO

II Facoltà di IngegneriaCorso di Laurea in Ingegneria Elettronica

Relatori:

prof. Marco Parvis

prof. Franco Ferraris

Candidati:

Stefano Bovio

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