Obiettivi Formativi

L'obiettivo del corso è di fornire le conoscenze e le competenze metodologiche-operative necessarie alla progettazione, alla caratterizzazione e all’impiego dei sistemi e degli strumenti di misura nell’ambito delle grandezze meccaniche e termiche nonché le nozioni fondamentali per l'elaborazione statistica dei dati sperimentali e la valutazione dell'incertezza di misura. Saper applicare le conoscenze ingegneristiche acquisite allo svolgimento, individuale o nell'ambito di gruppi di lavoro, di attività di progettazione e di sviluppo pratico dei concetti teorici acquisiti, utilizzando tecniche e strumenti di misura adeguati; far comprendere anche a interlocutori non specialisti le problematiche e le soluzioni applicative nei campi dell'ingegneria industriale. Al termine del corso lo studente dovrà avere la capacità di progettare e condurre esperimenti di media complessità, interpretare i dati e trarre conclusioni. Sarà caldamente consigliato l’utilizzo di libri di testo in inglese per agevolare la capacità di comunicare con linguaggio tecnico appropriato anche con esperti stranieri del proprio o di altri settori ingegneristici. Le attività formative svolte in laboratorio contribuiranno a far acquisire allo studente la capacità di lavorare in team, stimolando il confronto (tra studente e docente, tra studenti, tra studenti ed esperti esterni).

Learning Goals

The aim of the course is to provide knowledge and skills needed for designing, testing and using measurement instruments and systems in the field of mechanical and thermal measurements as well as to provide fundamental concepts for post-processing of the experimental data and assessment of measurement uncertainty. Applying the acquired engineering knowledge to the development, individually or in the context of work groups, of design activities and practical development of the theoretical concepts acquired, using appropriate measurement techniques and tools; to make non-specialist interlocutors understand the problems and the applicative solutions in the fields of industrial engineering. At the end of the course the student should have the ability to design and conduct experiments of medium complexity, interpret the data and draw conclusions. The use of English textbooks will be highly recommended to facilitate the ability to communicate with appropriate technical language also with foreign experts from one's own or other engineering sectors. The training activities carried out in the laboratory will help the student to acquire the ability to work in a team, stimulating confrontation (between student and teacher, between students, between students and external experts).

Metodi didattici

Il corso è costituito da lezioni frontali in aula o in laboratorio e da esercitazioni in aula o in laboratorio, guidate dal docente, singole o di gruppo, per il riscontro dei concetti trasferiti e per il raggiungimento degli obiettivi previsti. Tutte le attività sono svolte con supporto di slide, video e lavagna.

Teaching Methods

The course consists of lectures in classroom or in laboratory and exercises in classroom or in laboratory, guided with the teacher support, independent and in group, to check the transferred basics and to achieve the expected goals. All activities are carried out with the support of slides, videos and blackboard.

Prerequisiti

Principi di matematica, fisica, statistica, meccanica del continuo, circuiti elettrici.

Prerequisites

Principi di matematica, fisica, statistica, meccanica del continuo, circuiti elettrici.

Verifiche dell'apprendimento

L'esame finale si svolge in forma orale ed è un colloquio incentrato sugli argomenti dell’insegnamento. È valutato in trentesimi e si ritiene superato se il voto non è inferiore a 18/30. È svolto durante la sessione dell’esame. Lo studente ha facoltà di predisporre una relazione sulle esercitazioni pratiche svolte in aula ed in laboratorio, a cui sarà assegnato un punteggio fino ad un massimo di 2/30, che si sommerà al voto dell’esame. Sono previste prove di verifica in itinere volte a valutare lo stato di apprendimento degli studenti e a stimolare l’attenzione sugli argomenti trattati. Le prove di verifica non vengono però in alcun modo utilizzate ai fini della valutazione finale. L’esame finale e le prove in itinere hanno il duplice scopo di verificare il livello di conoscenza e di comprensione dei contenuti dell’insegnamento e di valutare la capacità di apprendimento, l'abilità comunicativa, le proprietà di linguaggio scientifico, le facoltà logico-deduttive e l'autonomia di giudizio acquisite dallo studente.

Assessment

The final exam takes place in oral form and is an interview focused on the topics covered during the course. It is scored out of thirty and is considered passed if the overall evaluation is not less than 18/30. It is held in the exam session. The student can prepare a report on the practical activities carried out either in the classroom or in the laboratory, which will be assigned a score up to 2/30, in addition to the exam score. Ongoing tests are expected during the course to evaluate student learning and to stimulate attention on the contents of the course. These tests are not considered for the final evaluation. The final exam and the ongoing tests have the dual purpose to verify the level of knowledge and understanding the course contents and to evaluate the learning ability, the communicative ability, the properties of scientific language, the logical-deductive faculties and the autonomy of judgment acquired by the student.

Programma del Corso

-GENERALITA’ SUL CONCETTO DI MISURA. Regole di presentazione dei dati sperimentali in forma numerica ed in forma grafica. Applicazioni nel campo dell’ingegneria industriale, dell’ingegneria biomedica e nel controllo di qualità. Metodi fondamentali di misurazione: confronto diretto e confronto indiretto con strumenti tarati. -ELEMENTI DI STATISTICA APPLICATA ALL’INGEGNERIA. Concetti fondamentali di statistica per l’elaborazione dei dati sperimentali. Rappresentazione grafica dei dati. Modelli teorici di distribuzioni statistiche. Sperimentazione ed inferenza statistica: Analisi della normalità di una distribuzione sperimentale. Criteri di esclusione dei valori meno probabili. Analisi di regressione lineare semplice e misure di correlazione. Cenni sul Design of Experiment (DOE) e sull’analisi della varianza (ANOVA). Esercitazioni individuali o di gruppo in aula con progettazione di un’attività sperimentale. -ESPRESSIONE E VALUTAZIONE DELL’INCERTEZZA DI MISURA. Incertezza di tipo A. Incertezza di tipo B. Legge di propagazione delle incertezze tipo. Calcolo dell'incertezza estesa. Calcolo dei gradi di libertà. Determinazione del fattore di copertura. Criteri generali per la dichiarazione dell’incertezza. Esercitazioni in laboratorio. -ANALISI DELLE PRESTAZIONI STATICHE DEGLI STRUMENTI DI MISURA. Precisione, accuratezza, ripetibilità, sensibilità, linearità, soglia, risoluzione, isteresi, leggibilità della scala, impedenze di ingresso e di uscita. Calibrazione statica di uno strumento di misura. Esempi. -MISURE DI SPOSTAMENTO, VELOCITA’ E ACCELERAZIONE. Misure di spostamento relativo. Trasduttori resistivi: potenziometro a resistenza ed a film plastico. Trasduttori induttivi: LVDT, RVDT. Trasduttori capacitivi. Trasduttori a correnti parassite. Trasduttori ad effetto Hall. Trasduttori laser a triangolazione. Encoder. Misure di velocità: dinamo tachimetrica, metodi stroboscopici, tachimetri a correnti indotte. Accelerometri. Esercitazioni in laboratorio. -MISURE DI DEFORMAZIONE. Estensimetri elettrici a resistenza. Effetti della temperatura. Effetti della lunghezza dei cavi di collegamento. Non linearità. La misura delle sollecitazioni semplici: trazione/compressione, flessione, torsione. Misure su organi rotanti: slip rings e sistemi di telemetria. Cenni sulla misura di uno stato di sollecitazione incognito: le rosette estensimetriche. Esercitazioni in laboratorio. -MISURE DI FORZA E DI COPPIA. Metodi di base per la misura della forza e della coppia. Trasduttori ad ER. Circuiti di misura. Non linearità del ponte di Wheatstone e non linearità geometrica dell’elemento elastico. Trasduttori piezoelettrici. Esercitazioni in laboratorio. -MISURE DI PRESSIONE. Metodi di base per la misura della pressione di un fluido. Pressione statica e pressione dinamica. Manometri gravitazionali. Manometri a deformazione di elementi elastici. Manometri piezoelettrici. Barometri. Taratura. Esercitazioni in laboratorio. -MISURE DI VELOCITA’ DEI FLUIDI. Metodi di visualizzazione di una corrente fluida. Misure della direzione di una corrente fluida. Il tubo di Pitot. Anemometri a filo e a film caldo. Anemometria laser Doppler. Misure di velocità in flussi bi- o tridimensionali. Esercitazioni in laboratorio. -MISURE DI PORTATA. Metodi di base per la misura della portata di un fluido. Dispositivi a strozzamento. Rotametri. Misuratori a turbina. Misuratori elettromagnetici. Misuratori a vortice. Misuratori ad ultrasuoni. Misuratori a variazione del momento della quantità di moto. Misuratori ad effetto Coriolis. Misuratori termici. Esercitazioni in laboratorio. -MISURE DI TEMPERATURA. Termometri a dilatazione di liquido. Termometri a lamina bimetallica. Termometri a pressione. Termometri a resistenza. Termistori. Termocoppie. Termometri a radiazione: pirometri a larga banda, pirometri a banda selettiva, pirometri ottici monocromatici, pirometri ottici a due colori. Esercitazioni in laboratorio.

Course Syllabus

-GENERAL CONCEPTS. Rules of presentation of experimental data in numerical and graphical form. Applications in the field of industrial engineering, biomedical engineering and quality control. Fundamental measurement methods: direct comparison and indirect comparison with calibrated instruments. -APPLIED STATISTICS FOR ENGINEERS Basic concepts of statistics for the processing of experimental data. Graphical representation of data. Theoretical models of statistical distributions. Experimentation and statistical inference: Analysis of the normality of an experimental distribution. Criteria for excluding less probable values. Simple linear regression analysis and correlation measures. Notes on the Design of Experiment (DOE) and on the analysis of variance (ANOVA). Individual or group exercises in the classroom with the design of an experimental activity. -GUIDE TO THE EXPRESSION OF UNCERTAINTY IN MEASUREMENTS. Type A uncertainty. Type B uncertainty. Propagation law of type uncertainties. Calculation of the extended uncertainty. Calculation of degrees of freedom. Coverage factor determination. General criteria for the declaration of uncertainty. Laboratory exercises. -STATIC PERFORMANCE OF MEASURING SYSTEMS. Accuracy, accuracy, repeatability, sensitivity, linearity, threshold, resolution, hysteresis, scale readability, input and output impedances. Static calibration of a measuring instrument. Examples. -MEASUREMENT OF DISPLACEMENT, VELOCITY AND ACCELERATION. Resistance and plastic film potentiometers. Inductive transducers: LVDT, RVDT. Capacitive transducers. Eddy current transducers. Hall effect transducers. Triangulation laser transducers. Encoders. Tachometer dynamo. Stroboscopic methods. Eddy current speedometers. Accelerometers. Laboratory exercises. Practical lab activity. -MEASUREMENT OF STRAIN. Electric resistance strain gages. Effects of temperature. Effects of the length of the connecting cables. Non linearity. The measurement of simple stresses: traction / compression, bending, torsion. Measurements on rotating parts: slip rings and telemetry systems. Notes on the measurement of an unknown state of stress: strain gauge rosettes. Practical lab activity. -MEASUREMENT OF FORCE AND TORQUE. Basic methods for measuring force and torque. ER transducers: schemes of elastic elements sensitive to traction / compression, bending, shearing. Measurement circuits. Nonlinearity of the Wheatstone bridge. Geometric non-linearity of the elastic element. Piezoelectric transducers. Practical lab activity. -MEASUREMENT OF PRESSURE. Basic methods for measuring the pressure of a fluid. Static pressure and dynamic pressure. Gravitational pressure gauges. Deformation pressure gauges of elastic elements. Piezoelectric pressure gauges. Barometers. Calibration. Practical lab activity. -MEASUREMENT OF FLUIDS VELOCITY. Methods of visualization of a fluid current. The Pitot tube. Wire and hot film anemometers. Doppler laser anemometry. Velocity measurements in two- or three-dimensional flows. Practical lab activity. -FLOW MEASUREMENTS. Basic methods for measuring the flow rate of a fluid. Throttle devices. Rotameters. Turbine meters. Electromagnetic meters. Vortex meters. Ultrasonic meters. Momentum momentum variation (angular momentum). Coriolis meters. Thermal meters (gas). Practical lab activity. -MEASUREMENT OF TEMPERATURE. Liquid expansion thermometers. Bimetallic thermometers. Pressure thermometers. Resistance thermometers. Thermistors. Thermocouples. Radiation thermometers: operating principle, metrological characteristics, wide band pyrometers, selective band pyrometers, monochromatic optical pyrometers, two-colors optical pyrometers. Practical lab activity.