Obiettivi Formativi

Fornire le conoscenze di base sulle tecnologie hardware di misura e sulle metodologie di certificazione e standardizzazione. Fornire le competenze ingegneristiche basilari per la valutazione delle prestazioni di strumenti e sistemi di misura e le relative procedure di mantenimento. Acquisire le nozioni fondamentali relative alla stima della incertezza secondo l’approccio probabilistico. Acquisire conoscenza delle più importanti architetture di sistemi di misura complessi e distribuiti e bus industriali. Sviluppare la capacità di analizzare le specifiche del sensore e selezionare il circuito di condizionamento più adatto. Favorire lo sviluppo di un adeguato grado di autonomia di giudizio nel progettare sistemi di misurazione complessi selezionando i componenti e i dispositivi di interconnessione più adatti. Sviluppare la capacità di comunicazione e collaborazione in ambiti lavorativi fortemente interdisciplinari coniugando al rigore metodologico la ricerca di soluzioni tecnologiche allo stato dell’arte.

Learning Goals

To provide basic knowledge of hardware measurement technologies and certification and standardization methodologies. To provide basic engineering skills for evaluating the performance of measuring instruments and systems and the related maintenance procedures. To acquire the knowledge of the rules for the uncertainty estimation according to the probabilistic approach. To acquire the knowledge of the most important architectures of complex and distributed measuring systems and industrial buses. To develop the ability of analysing sensor specifications and selecting the most suitable conditioning circuitry. To encourage the development of a high degree of independent judgment in designing complex measurement systems by selecting the most suitable components and interconnection devices. To develop communication and collaboration skills in interdisciplinary working areas by combining methodological rigor with the search for state-of-the-art technological solutions.

Metodi didattici

Il corso, al fine di raggiungere gli obiettivi formativi previsti, si svolge prevalentemente attraverso lezioni frontali. Sono inoltre previste esercitazioni guidate svolte dagli studenti, con lo scopo di stimolare l’approccio ai problemi con autonomia e senso critico. Tutte le attività sono svolte con supporto di slide delle lezioni.

Teaching Methods

The course, in order to achieve the expected objectives, mainly takes place through lectures. There are also guided exercises with teacher support, with the aim of stimulating the approach to problem solving with autonomy and a critical thinking. All activities are carried out with the support of lecture slides.

Prerequisiti

Concetto di misurazione e incertezza. Circuiti ad amplificatori operazionali. Conoscenze di base della conversione analogico/digitale e della teoria del campionamento. Basi di probabilità e statistica.

Prerequisites

Concept of physical quantity, measurement, methods and uncertainty. Uncertainty estimate according to the deterministic approach. Knowledge of theory and use of operational amplifiers and filters. Basic knowledge of analog / digital conversion and sampling theory. Basic knowledge of probability and statistics.

Verifiche dell'apprendimento

L'esame consiste in una prova scritta, seguita dalla prova orale. Durante la prova scritta si chiede di eseguire lo svolgimento completo di dieci esercizi in forma di domande a risposta multipla, domande a risposta aperta, ed esercizi numerici. Gli argomenti e il livello di difficoltà degli esercizi corrispondono al programma svolto e ai testi di riferimento indicati. Il tempo assegnato per la prova scritta è di due ore. La valutazione della prova scritta è fatta in trentesimi. La prova scritta si ritiene superata se la valutazione complessiva non è inferiore a 18/30. Superata la prova scritta, essa ha validità per tutto l’anno accademico entro il quale dovrà essere sostenuta la prova orale. La prova orale è incentrata sugli argomenti trattati durante il corso, a partire da una discussione critica della prova scritta. Essa ha il duplice scopo di verificare il livello di conoscenza e di comprensione dei contenuti del corso e di valutare l'autonomia di giudizio, la capacità di apprendimento, l'abilità comunicativa e proprietà di linguaggio scientifico e indi valutare le facoltà logico-deduttive acquisite dallo studente. Il voto finale è espresso in trentesimi e tiene conto della valutazione ottenuta durante la prova scritta e durante la prova orale. Durante lo svolgimento del corso sono previste due prove scritte in itinere. Lo studente che supera le prove in itinere è esonerato dalla prova scritta e può direttamente sostenere la prova orale. Le prove in itinere sono relative agli argomenti trattati durante il corso e si tengono rispettivamente a metà ed alla fine del corso (in date che vengono concordate durante le lezioni con gli studenti). A ciascuna prova si assegna una valutazione in trentesimi. La prova scritta è superata se la media delle due prove di verifica è pari o maggiore a 18/30. Durante le prove scritte è possibile utilizzare una calcolatrice.

Assessment

The exam consists of a written test followed by an oral test. During the written test, students are asked to perform the complete development of ten exercises in the form of multiple-choice questions, open-ended questions, and numerical exercises. The topics and the level of the exercises correspond to the program delivered and to the reference texts indicated. The time allotted for the written test is two hours. The evaluation of the written test is scored out of thirty. The written test is considered passed if the overall evaluation is not less than 18/30. Once the written test has been passed, it is valid for the entire academic year within which the oral exam must be taken. The oral exam focuses on the topics covered during the course, using as a starting point the discussion of the written exam. It has the dual purpose of verifying the level of knowledge and understanding of the course contents and to evaluate the autonomy of judgment, the learning ability, the communicative ability and properties of scientific language and then evaluate the logical-deductive faculties acquired by the student. The final grade is expressed out of thirty and takes into account the evaluation obtained during the written exam and during the oral exam. During the course, there are two ongoing written tests. Students who pass the ongoing tests are exempt from the final written exam and can directly take the oral exam. The ongoing tests are related to the topics covered during the course and are held respectively in the middle and at the end of the course (on dates that are agreed during the lessons with the students). A score out of thirty is assigned to each test. The written test is passed if the average of the two tests is equal to, or greater than, 18/30. During the written exams, it is permitted to use a calculator.

Programma del Corso

Moderna strumentazione per la diagnostica: oscilloscopi digitali, analizzatori di spettro e di reti, generatori di segnali. Tecniche di misura per la diagnostica: Riflettometria nel dominio del tempo, spettroscopia di impedenza, parametri black-box. Analisi dei dati sperimentali di misura: Stima dell’incertezza con approccio probabilistico, grafici di dati sperimentali, best fit lineare e non lineare, varianza classica e tipi di rumore. Sistemi di misura: Sistemi di misura complessi e relative architetture e tecniche di interconnessione, bus seriali e paralleli (IEEE 488, RS485, fieldbus, VXI, PXI), ambienti di programmazione procedurali, sistemi di misura distribuiti LAN e WAN. Caratteristiche e specifiche delle principali tipologie di cavi e di connettori. Standard e certificazioni: Problematiche di qualità, taratura e riferibilità della strumentazione, cenni su normative di riferimento. Sensori per applicazioni industriali: Principio di funzionamento e prestazioni delle principali categorie di sensori per applicazioni industriali, caratteristiche operative, caratteristiche metrologiche, circuiti e sistemi di condizionamento del segnale. Sistemi per la misura di pressione: Sensori a film sottile, a film spesso, piezoresistivi. Sistemi per la realizzazione e la misura del vuoto: Generalità sul vuoto, pompe primarie e secondarie, Pompe rotative a singolo e doppio stadio, pompe scroll, pompe a diffusione, pompe turbomolecolari, misuratori di vuoto, sensore Pirani, sensore a termocoppia, sensore a catodo freddo. Sistemi per la misura di flusso: Sensori e misuratori di flusso, mass flow controller, tecniche di interconnessione.

Course Syllabus

Modern diagnostic instrumentation: digital oscilloscopes, spectrum and network analyzers, signal generators. Measurement techniques for diagnostics: Time Domain Reflectometry, impedance spectroscopy, black-box parameters. Analysis of experimental measurement data: Estimation of uncertainty with a probabilistic approach, graphs of experimental data, linear and non-linear best fit, classical variance, and types of noise. Measurement systems: Complex measurement systems and related interconnection architectures and techniques, serial and parallel buses (IEEE 488, RS485, fieldbus, VXI, PXI), procedural programming environments, LAN and WAN distributed measurement systems. Characteristics and specifications of the main types of cables and connectors. Standards and certifications: Quality problems, calibration and traceability of the instrumentation, notes on reference standards. Sensors for industrial applications: Principle of operation and performance of the main categories of sensors for industrial applications, operational characteristics, metrological characteristics, circuits, and signal conditioning systems. Pressure measurement systems: Thin film-based sensors, thick film-based sensors, piezoresistive sensors. Systems for creating and measuring vacuum: Generalities on vacuum, primary and secondary pumps, single and double stage rotary pumps, scroll pumps, diffusion pumps, turbomolecular pumps, vacuum gauges, Pirani sensor, thermocouple-based sensor, cold cathode. Flow measurement systems: Flow sensors and meters, mass flow controllers, interconnection techniques.