UNIVERSITÀ DI PISA
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica
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PROGETTO, SVILUPPO E COLLAUDO
DI UNA NUOVA SERIE DI ANALIZZATORI GAS
Candidato: Relatore:
Giuseppe Licata Caruso Ing. Luca Fanucci
Tutor Aziendale:
Ing. Alberto Sartor
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Anno Accademico 2016/2017
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Indice
1. Introduzione ... 4
2. Saturation diving system ... 5
3. Unità di sensing ... 10
3.1 Sensori di gas ... 13
3.1.1 Sensori di gas elettrochimici ... 14
3.1.2 Sensori di gas catalitici ... 16
3.1.3 Sensori di gas ottici ... 18
3.1.4 Sensori di gas a semiconduttore ... 19
3.2 Sensori utilizzati nell’analizzatore iAN ... 20
4. iAN Gas Analyser ... 21
4.1 Struttura Hardware del sistema ... 22
4.1.1 Struttura Hardware Monitor Display ... 22
4.1.2 Struttura Hardware Remote Boards ... 27
4.2 Struttura Software del sistema ... 32
4.2.1 Main Page (Home Page) ... 34
4.2.2 Sensor Page ... 35
4.2.3 Alarm Chronology Page ... 36
4.2.4 Trending Page ... 37
4.2.5 Setup Page ... 38
4.2.6 Alarm Setting Page ... 41
4.2.7 Calibration Page ... 42
4.3 Stati del sistema... 43
5. Panoramica Monitor Display ... 44
5.1 Installazione ... 45
5.1.1 Kit di montaggio a Pannello ... 46
5.2 RS-485 wiring ... 47 6. Testing ... 50 6.1 Test in temperatura ... 55 6.2 Marcatura CE ... 61 6.3 Marcatura RoHS ... 65 6.4 Standard DNV GL ... 68
7. Confronto col competitor ... 70
8. Possibili sviluppi futuri ... 72
9. Conclusioni ... 73
10. Riferimenti ... 74
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1. Introduzione
La presente tesi di Laurea ha come obiettivo il progetto, lo sviluppo ed il collaudo di una
serie di analizzatori gas. Il principale utilizzo è rivolto all’ambiente Saturation diving,
ove è richiesto il monitoraggio continuo di atmosfere. Il progetto è stato svolto durante
l’attività di tirocinio presso l’azienda Drass Galeazzi di Livorno. L’equipment sviluppato è stato nominato iAN Analyser, ed è capace di analizzare quattro tipi diversi di gas:
ossigeno molecolare (O2), monossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO2), elio
(He). É composto da un Monitor Display touch screen (dim. 4.3") e da quattro Remote
2. Saturation diving system
Gli impianti per immersioni subacquee in alto fondale, vale a dire a profondità superiori
a 50 metri, sono concepiti per consentire agli Operatori Tecnici Subacquei (Ots) di
lavorare in immersione a profondità fino a 300 metri e oltre, utilizzando la tecnica
chiamata “in saturazione”. Questa tecnica si basa sul principio fisico, noto come Legge di Henry, secondo cui un gas che esercita una pressione sulla superficie di un liquido vi
entra in soluzione sin tanto che ha raggiunto, all’interno del liquido stesso, il medesimo valore di pressione che vi esercitava sopra.[1] Nel nostro ambiente naturale noi siamo
“saturi” del gas che respiriamo: l’aria. L’aria è composta principalmente da due gas: ossigeno (21%), in parte metabolizzato dal nostro corpo, e azoto (79%), un gas inerte. Si
è saturi quando tutti i tessuti del nostro corpo (in funzione della pressione parziale dei gas
che compongono l’aria) contengono il massimo quantitativo possibile di quel gas. Ora, mentre per l’ossigeno si deve tener conto che in parte lo consumiamo, dunque nel nostro corpo ne entra di più di quanto ne esce, l’azoto non viene utilizzato dai nostri sistemi
biologici, per cui tramite gli scambi gassosi mantiene un sostanziale equilibrio. Se
esponiamo un subacqueo a una pressione maggiore inizierà un movimento di gas
dall’esterno verso l’interno che si arresta quando è stato raggiunto un nuovo equilibrio, ovvero la saturazione. La durata dell’esposizione del corpo umano a un gas inerte a pressione elevata uguaglia il tempo richiesto da quel gas per raggiungere lo stesso livello
di pressione in tutti i tessuti del corpo. Raggiunta tale condizione, tutti i tessuti risultano
essere saturi (in equilibrio), non consentendo ad altro gas di entrare in soluzione in essi,
e la quantità di tempo necessaria per la decompressione rimane invariata
indipendentemente dal tempo trascorso alla quota di immersione. Il tempo di saturazione
non è mai inferiore alle 12 ore mentre per la desaturazione a cui sono sottoposti gli Ots
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approssimativo indica che per 100 metri di quota operativa occorrono circa 3 giorni per
arrivare a quota normobarica (quella a livello del mare).
All’interno delle camere di decompressione dell’impianto di saturazione gli Ots respirano una miscela sintetica di elio e ossigeno, nota come Heliox, in cui il gas inerte è
rappresentato dall’elio, meno solubile dell’azoto nel sangue, rispetto al quale diffonde 2,5 volte più velocemente. Si riducono così i tempi per la decompressione e si eliminano i
rischi della narcosi da azoto. Il suo punto di ebollizione estremamente basso, rende l’elio liquido un refrigerante ideale per molte applicazioni. Ma usato in qualità di diluente
dell’ossigeno nella miscela respiratoria, a grande profondità, accelera di molto i tempi di dispersione in acqua del calore corporeo. Durante la saturazione, il corpo degli Ots è
saturato con i gas inerti presenti nella camera di decompressione, ognuno al valore di
pressione parziale che esercita nell’atmosfera dell’habitat. L’Ots può immergersi per tempi più o meno lunghi a profondità uguale o superiore a quella equivalente alla
pressione di saturazione, cui ritorna direttamente prima che i tessuti abbiano assorbito una
quantità di gas inerte tale da obbligarlo a compiere tappe di decompressione. Quindi vive,
per un periodo che può variare da 25 a 28 giorni,
all’interno dell’habitat, costituito dalla camera iperbarica di solito installata sul ponte della
nave. La camera iperbarica è dotata di luci
interne e di un sistema di riscaldamento, è
controllata dall’esterno per mezzo di telecamere a raggi infrarossi con dispositivo di registrazione ventiquattro ore su ventiquattro, di un sofisticato sistema di controllo della
pressione, dell’umidità e della temperatura e di un “traduttore” che provvede a rendere
comprensibile la tipica voce distorta dall’elio, detta “a Paperino”, degli Ots. Un passa-oggetti permette il rifornimento di cibi, bevande e di qualsiasi altra cosa di cui gli
occupanti possano avere necessità. Nei tempi inutilizzati i diver possono ascoltare
musica, leggere, guardare la televisione, utilizzare computer, il tutto sempre in ragione di
specifiche tecnologie che impediscono la presenza di
materiale pericoloso all’interno dell’impianto. La
squadra di lavoro di solito è composta da sei Ots (che
raggiungono il brevetto dopo severissimi e impegnativi
corsi qualificati) che si alternano nelle immersioni due
alla volta per otto ore a coppia coprendo le 24 ore (un
impianto di saturazione attivo è molto costoso ed è
operativo H24) mentre i tecnici di assistenza in superficie fanno turni di 12 ore. Gli Ots,
dopo aver chiuso i relativi portelli, passano dalla camera di trasferimento alla campana di
immersione, che viene scollegata dall’habitat e sostenuta da un cavo di forza in acciaio e
da un ombelicale per il passaggio dei gas di respirazione, viene immersa in mare e portata
sul fondo per mezzo di un sistema idraulico. In pratica essa serve come un ascensore per
portare gli operatori sul fondo per poi riportarli in superficie una volta terminato il turno
di lavoro. All’interno della campana gli Ots respirano la miscela fornita dalla superficie (che è la stessa della camera iperbarica), e dispongono anche di eventuali sistemi per la
gestione delle emergenze. Una volta raggiunta la quota di lavoro, attraverso il portello gli
operatori escono dalla campana uno alla volta, rimanendo vincolati ad essa tramite un
ombelicale che oltre a portare la miscela respiratoria direttamente all’interno del casco, e
l’acqua calda per sopperire al freddo, ha una serie di cavi per il collegamento audio-video con la superficie. Mentre un operatore svolge il suo turno di lavoro normalmente di
quattro ore, l’altro attende all’interno della campana pronto a intervenire in caso di emergenza. Dopo le prime quattro ore i due si scambiano i ruoli e al termine delle
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camera di trasferimento, si portano all’interno della camera iperbarica mentre entra in campana la seconda coppia di operatori, i quali, portati sul fondo, riprendono il lavoro
(posa e manutenzione condotte gas e petrolio, strutture e pali piattaforme offshore, ecc.)
dal punto in cui lo aveva lasciato la
coppia precedente. Solo al termine del
periodo previsto per l’esecuzione dei lavori per un periodo massimo di 25-28
giorni, gli Ots iniziano la
decompressione e quindi ritornare alla vita quotidiana. Sul ponte della nave appoggio è
installata anche la cabina controllo saturazione, all’interno della quale vi è un pannello
per le analisi dei gas che include valvole di pressurizzazione, valvole di scarico, riduttori
di pressione e manometri e tutto ciò che serve per il controllo dei parametri vitali degli
Ots in saturazione. L’impianto di saturazione è pertanto costituito da una camera di
compressione, da una camera di trasferimento, da una di decompressione, dalla campana
di immersione, dalla cabina controllo, dal sistema di ricircolo del gas, dal sistema di
controllo del microclima e dal sistema di riscaldamento ad acqua calda. Gli Ots in
immersione utilizzano speciali “mute ad acqua calda” che vengono alimentate direttamente dalla superficie. Attraverso l’ombelicale l’acqua calda pompata dalla superficie giunge a un collettore in campana e quindi, per mezzo di manichette flessibili,
fino alle mute degli operatori. Il sistema descritto permette di ridurre la perdita di calore
durante la saturazione, consentendo loro di prolungare la permanenza lavorativa sul fondo
altrimenti compromessa anche a causa della respirazione dell’elio.[2]
All’interno di questo ambiente va ad inserirsi il progetto dell’analizzatore di gas, necessario per monitorare le miscele di respirazione dei diver.
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3. Unità di sensing
Qualsiasi dispositivo elettronico che interagisce col mondo esterno utilizza sensori ed
attuatori. Il sensore è un dispositivo che si trova in diretta interazione con il sistema
misurato ed è, in ambito strettamente metrologico, riferito solamente al componente che
fisicamente effettua la trasformazione della grandezza d'ingresso in un segnale di altra
natura. I dispositivi in commercio spesso integrano al loro interno anche alimentatori
stabilizzati, amplificatori di segnale, dispositivi di comunicazione remota, ecc. In
quest'ultimo caso si preferisce definirli trasduttori.[3] Anche se storicamente sono sempre
stati usati dispositivi che traducono le grandezze fisiche in visualizzazioni di più semplice
leggibilità, con lo sviluppo dell'elettronica i sensori hanno invaso ogni campo
tecnologico. A parte le ovvie applicazioni legate alla strumentazione di misura, i sensori
sono usati intensamente in medicina, nell'industria, nella robotica e in generale
nei sistemi di controllo.
A seconda del tipo e dell'utilizzo, i sensori possono:
• dare una lettura direttamente nell'unità ingegneristica d'interesse;
• essere collegati ad uno strumento indicatore (chiamato comunemente display) che provvede a leggere il segnale e tradurlo in una comoda lettura nell'unità
ingegneristica;
• essere collegati ad uno strumento registratore che provvede a memorizzare il segnale per una sua successiva elaborazione (il più delle volte, quest'ultimo opera
una conversione analogico-digitale che traduce il segnale in dati digitali, che
vengono immediatamente memorizzati nello strumento stesso o su
I sensori possono essere classificati in base al loro principio di funzionamento oppure al
tipo di segnale in uscita, ma più comunemente in base al tipo di grandezza fisica che
misurano:
• sensori di luce (o sensori ottici): fotocellule, fotodiodi, fototransistor, ecc.; • sensori a infrarossi, rilevano la presenza di persone in un ambiente;
• sensori di suono: microfoni, idrofoni, altoparlanti; • sensori di accelerazione: accelerometri, sensori sismici;
• sensori di temperatura: termometri, termocoppie, resistori sensibili alla temperatura, termistori, termometri bimetallici e termostati;
• sensori di calore: bolometri, calorimetri;
• sensori di radiazione: contatori Geiger, dosimetri;
• sensori di particelle subatomiche: scintillometri, camere a nebbia, camere a bolle, camere di ionizzazione;
• sensori di resistenza elettrica: ohmmetri, multimetri; • sensori di corrente elettrica: galvanometri, amperometri; • sensori di tensione elettrica: elettroscopio, voltmetri; • sensori di potenza elettrica: wattmetri;
• sensori di magnetismo: magnetometri;
• sensori di pressione: barometri, barografi, misuratori di pressione, altimetri, variometri;
• sensori di gas e flusso;
• sensori di movimento: radar, velocimetri, tachimetri, odometri, sensori PIR; • sensori di orientamento: giroscopi, orizzonte artificiale, giroscopi laser, sensori di
posizione, sensore di rotazione;
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• sensori di distanza: sensori ottici (una combinazione di fotocellula e LED o un laser. Usati principalmente nelle macchine fotografiche con autofocus, nei
binocoli sofisticati e nella robotica);
• sensori di prossimità: interruttori, prossimity ottici (un tipo di sensori di distanza che rilevano solo una prossimità specifica, sono realizzati da una combinazione di
fotocellula e LED o con un laser. Trovano applicazione nei telefoni cellulari, nei
rilevatori di carta delle fotocopiatrici, sistemi di spegnimento o standby automatico
nei portatili e in altre apparecchiature);
• sensori biometrici: rilevano una caratteristica di una zona del corpo umano (conformazione della retina o i potenziali elettrici del polpastrello del dito della
mano);
• sensori chimici: es. biosensori che si basano su organismi o componenti di organismi viventi.
3.1 Sensori di gas
Il sensore di gas è un dispositivo che rileva la presenza di uno o più tipi di gas all'interno
di un ambiente, in genere come parte di un sistema di sicurezza. I vari tipi di sensori di
gas possono essere classificati in base al principio di trasduzione nelle seguenti categorie:
• Elettrochimici • Catalitici • Ottici
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3.1.1 Sensori di gas elettrochimici
I sensori elettrochimici hanno fatto la loro comparsa nei primi anni ‘50 per monitorare la quantità di ossigenoambientale. Negli anni ‘80 questisensori hanno subito un netto processo di miniaturizzazione che ne ha consentito una prima diffusione sul mercato. Il
principio di funzionamento con cui questi sensori operano fa sì che esista
unaproporzionalità diretta tra la concentrazione del gas che si vuole misurare e
lacorrente elettrica in uscita dal sensore.[4] La struttura di questi sensori prevede:
• un elettrodo sensibile (anodo), detto anche elettrodo di lavoro; • un elettrodo di accumulo (catodo);
• un elettrodo di riferimento; • l’elettrolita;
• la membrana.
Attraverso una piccola apertura, ilgas in esame, diffonde all'interno del sensore
attraversando una membrana idroscopica costituita tipicamente da sottili pellicole
diTeflon a bassa porosità, che evita il passaggio di vapor acqueo. Questo approccio
consente il passaggio di un adeguato flusso di gas che andrà a reagire con l'elettrodo di
rilevamento per produrre un segnale elettrico, evitando la fuoriuscita dell'elettrolita
presente nel sensore. Il gas che diffonde attraverso la barriera reagisce con la superficie
dell'elettrodo di rilevamento provocando la reazione di ossidazione e/o riduzione;
l'elettrolita presente all'interno del sensore agevola il passaggio della carica ionica da un
elettrodo all'altro. Queste reazioni cambiano in base alla natura del gas da misurare, per
questo la scelta del tipo di materiale che costituisce l'elettrodo risulta fondamentale per
lasensibilità del sensore; in generale gli elettrodi sono composti da metalli nobili come
anodo viene posta unaresistenza che consente il passaggio di una corrente proporzionale
alla concentrazione del gas. Questa tipologia di sensori consente di convertire quindi, la
concentrazione di un gas in un flusso di corrente elettrica. Alcuni di questi sensori, per
funzionare, hanno la necessità di avere applicata esternamente unadifferenza di
potenziale che dovrebbe rimanere costante. Queste tensione, logicamente, non rimane
costante a causa delle continue reazioni diossidoriduzione che avvengono nel sensore.
Sono di seguito elencate alcune caratteristiche dei sensori elettrochimici:
• per funzionare hanno necessità di una buona quantità di ossigeno. Questa caratteristica deriva dal tipo di reazioni che avvengono; infatti se per esempio
consideriamo la seguente reazione sull'anodo: CO + H20 → CO2 + 2 H+ + 2 e-
contemporaneamente sul catodo deve avvenire la seguente reazione:
O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2.
Per questo la presenza dell'ossigeno è indispensabile per il corretto
funzionamento del sensore. Se le quantità di ossigeno sono inferiori a quelle
necessarie il sensore va incontro ad un progressivo deterioramento;
• alcuni sensori hanno la necessità di avere applicata agli elettrodi una tensione di bias costante. Se questa tensione varia o è assente il sensore può essere
inutilizzabile;
• questa tipologia di sensore è poco sensibile ad oscillazioni
di temperatura e umidità, opera tipicamente a temperature intorno a 25°C e 65% di
umidità relativa;
• per quanto riguarda la selettività di questi sensori, ovvero la capacità di un sensore a non essere influenzato da altri agenti chimici oltre a quello di misura, questa
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3.1.2 Sensori di gas catalitici
Questa categoria di sensori è utilizzata da circa 50 anni principalmente per rilevare gas di
tipo combustibile, e si basa su un processo di combustione catalitica. I gas combustibili
hanno una ben determinata temperatura alla quale bruciano, tuttavia, se è presente il
giusto catalizzatore, questo valore di temperatura può essere variato consentendo la
combustione a temperature notevolmente inferiori.[5]
Il sensore è costituito da due filamenti metallici, uno di riferimento ed uno di rilevazione.
Per le sue proprietà chimiche e fisiche il materiale utilizzato per entrambi i filamenti è
spesso il platino. Il platino ha la proprietà di variare la propria resistenza in modo lineare
(in intervalli che vanno da 500°C sino a 1000°C) al variare della temperatura. Questo
sensore consente di convertire una variazione di concentrazione di gas in una variazione
di resistenza, per cui ciò che effettivamente va misurata è la resistenza in uscita da questo
sensore. Il filamento di riferimento non deve essere influenzato dal variare della
concentrazione dei gas, per questo motivo può essere costituito o da platino chimicamente
trattato o da materiali che non hanno proprietà catalitiche (come ad esempio, l'oro).
Inizialmente questi sensori venivano costruiti utilizzando come elementi sensibili dei
semplici avvolgimenti. Questa tecnica non permetteva di miniaturizzare il dispositivo,
inoltre, a causa della sua architettura, le temperatura di esercizio del sensore erano portate
intorno agli 800÷1000 °C.
Per ovviare a questi problemi, l'elemento sensibile è stato ottimizzato riducendo la
sezione del filamento di platino e le dimensioni complessive. Questo ha portato come
vantaggi la riduzione dei consumi, la miniaturizzazione del sensore e l'abbassamento delle
Possono essere elencate alcune caratteristiche dei sensori catalitici:
• con il prolungarsi del periodo di esercizio il sensore viene sottoposto alla presenza di diversi inquinanti (gas di disturbo) che provocano l'alterazione delle proprietà
catalitiche del sensore e ne degradano le prestazioni;
• esistono alcuni composti particolari come gli alogenuri e il freon che possono inibire temporaneamente il funzionamento del sensore o comprometterne in modo
definitivo il funzionamento;
• se il dispositivo si trova esposto a concentrazioni troppo elevate di gas i filamenti possono raggiungere temperature che ne compromettono la geometria e le
proprietà elettriche in modo irreversibile;
• per quanto riguarda la sensibilità, questi sensori sono generalmente poco selettivi ai singoli agenti chimici, mentre sono più selettivi a categorie di composti.
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3.1.3 Sensori di gas ottici
Questi sensori sono sicuramente i più recenti tecnologicamente parlando. Utilizzando
come principio base l'interazione tra onde elettromagnetiche e materia è possibile risalire
al tipo e alla concentrazione di ogni gas in virtù del fatto che ogni elemento chimico ha
un proprio determinato spettro di assorbimento. I sensori che sfruttano questo principio
possono essere profondamente diversi tra loro, in questa trattazione ne verrà affrontato
una sola tipologia a titolo di esempio. In questa struttura il gas da esaminare viene
condotto all'interno della cavità nella quale è presente un generatore di onde
elettromagnetiche da una estremità e un ricevitore in ascolto dall'altra. Conoscendo
la potenza dell'onda trasmessa e misurando quella di ritorno è possibile risalire alla
quantità di energia assorbita dal gas. Per cui, conoscendo la potenza assorbita e
la lunghezza d'onda dell'onda sorgente è possibile risalire alla specie chimica e alla sua
concentrazione. Per sua natura questo tipo di sensore risente in modo netto delle
variazioni di temperatura, infatti i coefficienti di assorbimento sono funzione della
temperatura (anche se non in modo esplicito). Inoltre anche alti valori di umidità possono
compromette il sensore o invalidare una misura. Il problema più grave che ad oggi
affligge questa categoria di sensori è la selettività. Infatti, se si calibra un sensore con
metano puro e si inseriscono piccole quantità di propano o butano il sistema va in
3.1.4 Sensori di gas a semiconduttore
Questa categoria di sensori è nata verso la fine negli anni '60 ad opera di Naoyoshi
Taguchi. Egli notò che il comportamento della giunzione p-n di
un semiconduttore risentiva del tipo di gas presente nell'ambiente. Il principio di
funzionamento di questi sensori sfrutta materiali sensibili come l'ossido stannico (SnO2).
Quando un ossido come il cristallo di SnO2 viene riscaldato ad elevate temperature in aria,
l'ossigeno viene adsorbito all'interno del materiale con una carica negativa: questo fa si
che sulla faccia superiore del materiale si formi una barriera di potenziale. Tra i bordi dei
cristalli si formano barriere di potenziale che vanno a costituire il valore di resistenza del
materiale. Se il dispositivo è inondato da un gas dalla capacità riducente la quantità
dell'ossigeno adsorbito diminuisce causando una diminuzione delle cariche negative
assorbite ed un abbassamento della barriera di potenziale. La relazione tra resistenza del
materiale e concentrazione di gas riducente può essere espressa dalla seguente
relazione: Rs=A Cα, dove Rs rappresenta la resistenza del sensore, A è una costante
dipendente dallo specifico sensore, α è una costante che dipendente dalle caratteristiche del materiale, C è la concentrazione del gas riducente. Le caratteristiche principali di
questi tipi di sensori sono la longevità e la capacità di essere sensibili ad un numero molto
elevato di composti; hanno però scarsa selettività a precisi composti chimici. Inoltre,
vanno tenute in debito conto le variazioni di temperatura, umidità e di concentrazione di
ossigeno (ovviamente quest'ultimo è indispensabile per l'utilizzo del sensore). Anche
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3.2 Sensori utilizzati nell’analizzatore iAN
I sensori utilizzati all’interno delle Remote Board iAN sono: sensori di concentrazione
(O2, CO2, He, CO), di Flusso, di Pressione Barometrica e di Temperatura. Il range di
lavoro di ciascun sensore è:
• O2 (T-1 Teledyne): (0÷100) %;
• CO (Alphasense CO-B4): (0÷10) ppm; • CO2 (SGX IR11BD): (0÷3000) ppm;
• He (SGX VQ546M): (0÷100) %;
• Flusso (Omron D6F-P0010): (0÷1) l/min; • Pressione (Bosh BMP180): (300÷1100) mBar; • Temperatura (Bosh BMP180): (0÷65) °C.
Quando vengono forniti, i sensori sono in condizioni di sicurezza perfette. L'utente dovrà
evitare di smontare il monitor o le schede remote; sui bordi esterni del package sono stati
infatti inseriti dei sigilli antimanomissione, che se rimossi annullano la garanzia del
Monitor
Figura 2: System overview
4. iAN Gas Analyser
L’equipment iAN è composto dal Monitor Display (in condizioni operative ogni display sarà specifico per uno dei quattro gas da monitorare) e da quattro Remote Boards, per
analizzare i seguenti gas: ossigeno molecolare (O2), monossido di carbonio (CO),
anidride carbonica (CO2) ed elio (He). Il modulo sensore può essere installato anche
diverse centinaia di metri distante dal Monitor Display; la comunicazione infatti avviene
in maniera sicura, sfruttando il protocollo di comuicazione seriale RS-485. Per il
cablaggio è suggerito l’uso di ferriti. Ogni board oltre ad includere il sensore specifico del gas analizzato, prevede l’uso di un sensore di pressione, uno di temperatura ed uno di flusso. La figura seguente mostra la configurazione schematica del sistema:
DC Power +12V to +32V DC Signal Cable TOP VIEW: Sensor FRONT VIEW: Sensor Monitor
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4.1 Struttura Hardware del sistema
In questa sezione viene esposto lo Sviluppo Hardware del progetto, riportando gli
schematici e i principali componenti commerciali utilizzati all’interno della scheda elettronica di sviluppo.
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I principali componenti elettronici commerciali utilizzati all’interno della scheda elettronica del Monitor Display sono:
✓ DLC0430LZG-T-8: Display Touch Screen resistivo, size 4.3”, risoluzione 480x272;
✓ STM32F429IIH6: Microcontrollore che opera fino a frequenza 180 MHz, 32 bit RISC;
✓ IS42S16400J: SDRAM da 64MB CMOS;
✓ STMPE811: Controller resistivo touchscreen con espansore GPIO a 8 bit; ✓ TC58NVG0S3HBAI4: Memoria Pogrammabile sola lettura (NAND E2PROM); ✓ KSZ8851SNL: Controller Fast Ethernet costituito da un ricetrasmettitore, un
MAC e un'interfaccia seriale periferica (SPI);
✓ MAX3443E: Fault-protected RS-485, protetti da guasti hanno una protezione da dai guasti del segnale (±60V) sulle linee del bus di comunicazione;
✓ DAC7750: Convertitore digitale-analogico (DAC), a 12 bit e a 16 bit;
✓ TS4990IST: Amplificatore audio da 1,2 W con modalità active-low standby.
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I principali componenti elettronici commerciali utilizzati all’interno della scheda elettronica delle Remote Boards sono:
✓ LMR14020: Regolatore step down, 40V 2A;
✓ LD1117A: Regolatore di tensione capace di fornire fino a 1A di corrente; ✓ BMP280: Piezo-resistive pressure sensing;
✓ STM32F105: Microcontrollore ARM® Cortex®-M3 32-bit RISC, core operating a frequenza 72 MHz, highspeed embedded memories (Flash memory fino a 256 KB e SRAM 64 KB), e periferiche I/O;
✓ MAX3443E: Fault-protected RS-485, protetti da guasti hanno una protezione da dai guasti del segnale (±60V) sulle linee del bus di comunicazione;
✓ XRCGB25M000F3M00R0: Crystal Units, Crystal Oscillators.
Figura 6: PCB Remote Board
Le seguenti tabelle mostrano le caratteristiche tecniche delle Remote Boards iAN:
Technical Characteristics O2 Board
Supply Voltage 24V ±20%
Current 40mA
Operating conditions Temperature (0 ÷ 50)°C
Pressure (800 ÷ 1200)mbar
Concentration (0 ÷ 100)%
Flow (0 ÷ 1)L/min in air
Technical Characteristics CO Board
Supply Voltage 24V ±20%
Current 40mA
Operating conditions Temperature (0 ÷ 50)°C
Pressure (800 ÷ 1200)mbar
Concentration (0 ÷ 10)ppm
Flow (0 ÷ 1)L/min in air
Communication RS-485 Modbus RTU
Technical Characteristics CO2 Board
Supply Voltage 24V ±20%
Current 60mA
Operating conditions Temperature (0 ÷ 50)°C
Pressure (700 ÷ 1300)mbar
Concentration (0 ÷ 3000)ppm
Flow (0 ÷ 1)L/min in air
Communication RS-485 Modbus RTU
Technical Characteristics He Board
Supply Voltage 24V ±20%
Current 60mA
Operating conditions Temperature (0 ÷ 50)°C
Pressure (900 ÷ 1100)mbar
Concentration (0 ÷ 100)%
Flow (0 ÷ 1)L/min in air
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4.2 Struttura Software del sistema
I firmware sviluppati prevedono l’uso di svariate pagine grafiche, che consentono
l’impostazione del sistema e il fissaggio delle soglie di allarme in modo semplice. L’immagine seguente mostra l’organizzazione delle pagine e come è possibile navigare tra di loro. In questo capitolo spiegherò brevemente lo scopo di ciascuna pagina.
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4.2.1 Main Page (Home Page)
Durante il normale funzionamento, il display iAN visualizzerà la Main Page. La seguente
figura illustra gli elementi della schermata principale:
1. Barra grafica della concentrazione del gas 2. Concentrazione del gas
3. Chiave d’accesso alla Trending Page 4. Barra di stato
5. Flusso del gas
6. Soglie sulla concentrazione del gas 7. Tasti di “Acknowledged” e “Alarm Chronology”
La Main Page mostra il valore numerico della concentrazione del gas letto con la relativa
unità di misura, con dimensione sufficientemente grande da consentire la lettura anche a
distanza. Nel caso in cui il display non riceve i dati, il valore visualizzato sarà N/A (Non
Available). Sopra il valore numerico, è presente la barra grafica che indica il valore di
concentrazione (ad esempio per l’ossigeno su una scala 0÷100%) e le posizioni delle
soglie di allarme sulla concentrazione (gialle per i Warning, H ed L, rosse per gli Alarm,
HH ed LL). Sul bordo superiore del display, a sinistra, viene mostrata una linea di testo
personalizzabile per identificare quale apparecchiatura o subacqueo viene monitorato. Sul
bordo superiore del display, a destra, viene visualizzata un'icona utilizzata per accedere
alla pagina di configurazione. La barra grafica verticale del flusso si trova alla destra del
valore numerico del gas.
4.2.2 Sensor Page
La Sensor Page mostra i valori numerici delle grandezze campionate dai sensori interni
alla board, con le relative unità di misura, come mostrato nella figura seguente:
• Time and Date
• Gas value (% or ppm) • Barometric Pressure (mbar) • Temperature (°C)
• Gas Flow (%)
Sul bordo inferiore del display è mostrata una barra di allarme con l’informazione relativa
all'ultimo allarme pervenuto, un pulsante "Ack" (Acknowledged) per riconoscere l’ultimo
alarm/warning pervenuto, un pulsante "Home" per tornare alla pagina principale e un
pulsante "Calibration" per accedere alla pagina di calibrazione. Figura 9: Schermata Sensor Page
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4.2.3 Alarm Chronology Page
La pagina Alarm Chronology mostra gli ultimi eventi (ad esempio due) con relativa data
e ora, come mostrato nella figura seguente.
Sul bordo inferiore del display è mostrata una barra di allarme con l’informazione relativa
all'ultimo allarme pervenuto, un pulsante "Ack Page"
per riconoscere tutti gli allarmi presenti nella pagina
corrente, un pulsante "Ack" per riconoscere solo l'ultimo
allarme pervenuto. C'è anche un pulsante "Home" per
tornare alla pagina principale e un pulsante "Threshold"
per accedere alla Alarm Setting Page. Gli eventi non
ancora riconosciuti lampeggiano; il colore del testo è
giallo per i warning e rosso per gli alarm.
4.2.4 Trending Page
La Trending Page ha lo scopo di rappresentare graficamente l'andamento temporale della
concentrazione del gas monitorato.
Sul bordo inferiore del display appare la barra grafica di
scrolling temporale; sotto compare un pulsante "Ack"
per riconoscere solo l'ultimo allarme pervenuto, un
pulsante "Home" per tornare alla pagina principale e un
pulsante "Sensor page".
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4.2.5 Setup Page
La Setup Page è la pagina principale di configurazione.
Da questa pagina è possibile navigare tra diverse altre
pagine per impostare tutti i parametri configurabili del
sistema.
All'interno sono disponibili le seguenti pagine:
• General: questa è la pagina in cui è possibile modificare le impostazioni generali: o Time and Date: In questa pagina è possibile impostare ora e data;
o Password Setting: In questa pagina è possibile scegliere la password, abilitarla e disabilitarla;
o Brightness: In questa pagina è possibile modificare la luminosità dello schermo;
o Volume: In questa pagina è possibile modificare il volume dell'altoparlante. • Alarm Setting: questa è la pagina in cui è possibile modificare tutte le
impostazioni di allarme: Figura 12: Schermata Setup Page
o Hysteresis: In questa pagina è possibile modificare il valore di isteresi della concentrazione del gas, della temperatura, della pressione e dei valori di
flusso;
o Relay: In questa pagina è possibile associare ai quattro relè uno o nessun evento dall'elenco degli eventi;
o Sound: Si utilizza questa pagina per associare un diverso suono per ogni evento attraverso un elenco di suoni;
o Threshold setting: In questa pagina è possibile impostare tutti i livelli di soglia (gas, flusso, temperatura e pressione).
• Display and Remote Info: In questa pagina sono riportate tutte le informazioni relative alla scheda remota e alla visualizzazione (versione del firmware e tipo di
sensore, ad esempio).
• Configuration file: Attraverso questa pagina è possibile caricare e scaricare tutti i parametri di configurazione. La pagina offre la possibilità di tornare alla
configurazione iniziale dei parametri.
• Maintenance: In questa pagina è possibile testare il sistema e verificare la corretta funzionalità.
o D/O Check: In questa pagina è possibile verificare se ogni uscita digitale funziona correttamente;
o D/I Check: In questa pagina è possibile verificare se ogni ingresso digitale funziona correttamente;
o Clean Display: Questa pagina consente di pulire il display;
o Maintenance Mode: Questa pagina consente di passare dalla modalità manutenzione ON alla modalità manutenzione OFF, e viceversa; quando la
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o Update Firmware: Questa pagina consente di aggiornare il firmware del sistema, se viene trovato il file corretto nella porta USB;
o Speaker Check: In questa pagina è possibile verificare se l'altoparlante funziona correttamente.
• Calibration: In questa parte del menù di impostazione l'operatore può calibrare l'analizzatore in due modalità: Calibrazione automatica e Calibrazione manuale.
o Parameter: In questa pagina gli operatori possono modificare tutti i parametri di calibrazione necessari per la calibrazione automatica;
o Zero/Span Value: in questa pagina gli operatori possono impostare il valore Zero e il valore Span, necessari per la calibrazione;
o Manual: Da questa pagina è possibile eseguire la calibrazione manuale; o Automatic: Da questa pagina è possibile effettuare la calibrazione
4.2.6 Alarm Setting Page
Nella pagina Alarm Setting è possibile settare le soglie di Alarm e Warning.
Questa è la lista Alarm/Warning: • (GAS) High limit Alarm; • (GAS) High limit Warning; • (GAS) Low limit Warning; • (GAS) Low limit Alarm; • Low limit gas Flow Warning; • Low limit gas Flow Alarm;
• Temperature High limit (Warning); • Temperature Low limit (Warning); • Pressure High limit (Warning); • Pressure Low limit (Warning).
Gli operatori possono decidere di avere o non una soglia, e impostarne il valore. Sul bordo
inferiore del display è mostrata una barra di allarme con l’informazione relativa all'ultimo allarme pervenuto, un pulsante "Ack" per riconoscere solo l'ultimo allarme pervenuto, un
pulsante "Home" per tornare alla pagina principale. Figura 13: Schermata Alarm Setting Page
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4.2.7 Calibration Page
La calibrazione si può eseguire manualmente (ogni elettrovalvola è comandata
dall'operatore dal Monitor) o con una routine automatizzata. Prima di consentire qualsiasi
attività di calibrazione, l'utente deve impostare il valore dei parametri Zero e Span, utili
per la calibrazione. Sul bordo inferiore del display è mostrata una barra di allarme con
l’informazione relativa all'ultimo allarme pervenuto, un pulsante "Ack" per riconoscere solo l'ultimo allarme pervenuto, un pulsante "Home" per tornare alla pagina principale,
un pulsante "Sensor page".
Per eseguire una regolazione della calibrazione, è
necessario esporre prima il sensore al gas di calibrazione
appropriato, di concentrazione nota. Il sensore deve
essere lasciato in questo stato per un certo periodo di
tempo, in modo che la lettura possa stabilizzarsi. Una
volta che la lettura del sensore si è stabilita per il gas di
calibrazione applicato, è possibile avviare la regolazione
della calibrazione.
4.3 Stati del sistema
L’analizzatore iAN presenta sei stati principali di funzionamento, identificati dal colore della barra di stato presente sulla Home Page:
• VERDE: nessun errore e nessun “Alarm/Warning”
attivo;
• GIALLO: “Warning” attivo, o “Warning” passato
e non ancora riconosciuto;
• ROSSO: “Alarm” attivo, o “Alarm” passato e non
ancora riconosciuto;
• GRIGIO: il display è scollegato dal sensore
remoto, e sulla Home Page è mostrata la scritta “N/A”;
• BIANCO: Modalità manutenzione;
• ARANCIONE: Riscaldamento del sensore.
Quando si presenta un allarme l’utente sarà anche avvisato da un allarme sonoro. Figura 15: Stati del sistema
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5.
Panoramica Monitor Display
Le seguenti figure mostrano una panoramica del monitor iAN. L'interfaccia touch
consente di interagire con lo strumento facendo uso di una notevole quantità di pagine,
che consentono di gestire e personalizzare completamente il sistema.
5.1 Installazione
La versione rack dell’analizzatore iAN è stata progettata per essere montata su guide di
montaggio standard da 19". Questi sistemi rack sono alti 3U e 21hp di larghezza. Le
versioni a pannello invece sono adatte per il montaggio diretto nei pannelli degli
strumenti. L'apertura di taglio deve essere misurata come segue:
• Altezza 112mm • Larghezza 102 mm
I centri di montaggio per le varianti a pannello devono essere i seguenti:
• Fori 4 x 6mm • Altezza 122,5 mm • Larghezza 91,4 mm • Centrato Su taglio fuori
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5.1.1 Kit di montaggio a Pannello
Per il montaggio a pannello dell’iAN si utilizzano due staffe di apposite dimensioni.
Per fissare il monitor si posizionano le due staffe dietro il pannello e si allineano i fori
M5 con i fori da 6 mm nel pannello; si fanno poi aderire le staffe al pannello con la
schiuma adesiva. Infine si allinea il monitor e lo si fissa in posizione con le quattro viti
5.2 RS-485 wiring
RS-485, noto anche come TIA-485 (-A), EIA-485, è uno standard che definisce le caratteristiche elettriche dei driver e dei ricevitori per l'uso in sistemi di comunicazione
seriale. Lo standard è pubblicato congiuntamente da Telecommunications Industry
Association e Electronic Industries Alliance (TIA/EIA). Le reti di comunicazione digitale
che implementano lo standard possono essere utilizzate in modo efficace su lunghe
distanze e in ambienti elettricamente rumorosi. I ricevitori multipli possono essere
collegati a tale rete in una configurazione lineare e multi-drop. Queste caratteristiche
rendono utili tali reti in ambienti industriali e applicazioni simili.[8] RS-485 supporta reti
locali economiche e collegamenti di comunicazione multidrop, utilizzando la stessa linea
bilanciata differenziale rispetto alla coppia di twisted come RS-422. È generalmente
accettato che RS-485 possa essere utilizzato con velocità di trasmissione fino a 10 Mbit/s
e distanze fino a 1.200 m. A differenza di RS-422, che dispone di un solo circuito driver
che non può essere disattivato, i driver RS-485 utilizzano la logica a tre stati che consente
di disattivare i singoli trasmettitori. Ciò consente a RS-485 di implementare linee di bus
lineari usando solo due fili. La disposizione raccomandata dei fili è una serie di nodi
collegati punto-punto (multidropped). Le topologie a stella e ad anello non sono
raccomandate a causa delle riflessioni del segnale e dell’impedenza di terminazione
troppo bassa o alta. Se la configurazione a stella è inevitabile, sono disponibili speciali
ripetitori a star/hub RS-485 bidirezionali. I valori di polarizzazione e di terminazione non
sono specificati nello standard RS-485. Idealmente, le due estremità del cavo avranno una
resistenza di terminazione collegata ai due fili. Senza resistenze di terminazione, le
riflessioni sui bordi dei driver possono causare la corruzione dei dati. Le resistenze di
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inferiore. Il valore di ogni resistenza di terminazione deve essere uguale all'impedenza
caratteristica del cavo (in genere 120 ohm).
RS-485 specifica solo le caratteristiche elettriche del generatore e del ricevitore. Non
specifica o consiglia alcun protocollo di comunicazione, solo il livello fisico. Altri
standard definiscono i protocolli per la comunicazione su un collegamento RS-485.
Le caratteristiche elettriche del generatore (trasmettitore o driver), ricevitore,
ricetrasmettitore e sistema includono: definizione di un carico unitario, intervalli di
tensione, tensioni del circuito aperto, soglie e tolleranza transitoria. Definisce anche tre
punti di interfaccia generatori (linee di segnale); "A", "B" e "C". I dati vengono trasmessi
su "A" e "B"; "C" è un riferimento a terra. Questa sezione definisce anche gli stati logici
1 (off) e 0 (on), dalla polarità tra i terminali A e B. Se A è negativo rispetto a B, lo stato
è binario 1. La polarità inversa (A +, B -) è binaria 0. Lo standard non assegna alcuna
funzione logica ai due stati. Spesso in una configurazione master-slave quando un
dispositivo chiamato "master" inizia tutte le attività di comunicazione. In questa
configurazione, il dispositivo master è tipicamente situato centralmente lungo l'insieme
dei cavi RS-485, con due dispositivi slave situati all'estremità fisica dei cavi che
forniscono la terminazione. Il dispositivo master stesso potrebbe fornire la terminazione
se fosse localizzato in una estremità fisica dei fili, ma il master funziona in modo ottimale
quando si trova a metà strada tra i dispositivi slave, massimizzando in tal modo il livello
del segnale, e quindi la velocità di trasmissione lungo la linea. RS-485, come RS-422,
può essere realizzato in full-duplex utilizzando quattro fili. Poiché RS-485 è una specifica
a più punti, tuttavia, in molti casi questo non è necessario. RS-485 e RS-422 possono
interagire con determinate restrizioni. I convertitori tra RS-485 e altri formati sono
Utilizzando "Ripetitori" e "Ripetitori multipli" si possono formare reti RS-485 molto
grandi.
La linea differenziale RS-485 è costituita da due pins:
• A (+ o D+), pin non-invertente
• B (- o D-) pin invertente
Può essere presente un terzo pin opzionale: SC (G), pin di riferimento. Il protocollo di
comunicazione Modbus etichetta il nodo A come negativo e B come positivo; vi sono in
realtà varie convenzioni per quanto concerne la polarità dei pin. Lo standard non parla di
schermatura dei cavi, ma fa alcune raccomandazioni sui metodi preferiti di
interconnessione e dei riferimenti del segnale. Nella figura sottostante è mostrato un
esempio di forma d’onda durante la trasmissione di un byte su una linea RS-485.
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6. Testing
La fase di testing dell’Analizzatore iAN è stata utile anzitutto per risolvere molteplici
problematiche legate alla sfera software; le prime versioni dei firmware infatti erano
affette da numerosi bug. Durante i test venivano fornite miscele di gas calibrato alle
Remote Boards, campionate le misure, confrontate con i valori dichiarati dal fornitore
delle bombole di gas, e valutato l’errore di misura. Di seguito vengono riportati i valori
di concentrazione di gas presenti nelle miscele utilizzate.
Bottle 1 Valore certificato Incertezza estesa Concentrazione minima Concentrazione massima CO2 (ppm) 10,50 0,40 10,10 10,90 CO (ppm) 0,201 0,017 0,184 0,218 O2 (%) 0,4850 0,0095 0,4755 0,4945 He (%) 99,52 0,0095 99,51 99,52 Bottle 2 Valore certificato Incertezza estesa Concentrazione minima Concentrazione massima CO2 (ppm) 497 10 487 507 CO (ppm) 1,020 0,059 0,961 1,079 O2 (%) 1,960 0,033 1,927 1,993 He (%) 98,040 0,033 98,007 98,073 Bottle 3 Valore certificato Incertezza estesa Concentrazione minima Concentrazione massima CO2 (ppm) 851 17 834 868 CO (ppm) 2,03 0,11 1,92 2,14 O2 (%) 10,04 0,11 9,93 10,15 He (%) 89,96 0,11 89,85 90,07
Bottle 4 Valore certificato Incertezza estesa Concentrazione minima Concentrazione massima CO2 (ppm) 1490 30 1460 1520 CO (ppm) 5,02 0,22 4,80 5,24 O2 (%) 23,60 0,18 23,42 23,78 He (%) 76,40 0,18 76,22 76,58 Bottle 5 Valore certificato Incertezza estesa Concentrazione minima Concentrazione massima CO2 (ppm) 2075 41 2034 2116 CO (ppm) 7,62 0,31 7,31 7,93 O2 (%) 50,85 0,25 50,60 51,10 He (%) 49,15 0,25 48,90 49,40
In aggiunta a queste miscele, vengono anche utilizzate miscele di Elio puro e Ossigeno puro. Di seguito riportate alcune misurazioni effettuate durante la fase di testing.
Test O2 (17/03/2017) Bottle iAN Error
Primo Ciclo Miscela 1 0,49% 0,22% 0,27% Miscela 2 1,96% 1,61% 0,35% Miscela 3 10,04% 9,20% 0,84% Miscela 4 23,60% 22,09% 1,51% Miscela 5 50,85% 48,65% 2,20% Miscela 4 23,60% 23,13% 0,47% Miscela 3 10,04% 9,98% 0,06% Miscela 2 1,96% 1,87% 0,09% Secondo Ciclo Miscela 1 0,49% 0,27% 0,22% Miscela 2 1,96% 1,67% 0,29% Miscela 3 10,04% 9,32% 0,72% Miscela 4 23,60% 22,52% 1,08% Miscela 5 50,85% 48,50% 2,35% Miscela 4 23,60% 24,03% -0,43% Miscela 3 10,04% 10,23% -0,19% Miscela 2 1,96% 1,88% 0,08%
Page 52 of 77 Terzo Ciclo Miscela 1 0,49% 0,33% 0,16% Miscela 2 1,96% 1,73% 0,23% Miscela 3 10,04% 9,28% 0,76% Miscela 4 23,60% 22,28% 1,32% Miscela 5 50,85% 47,89% 2,96%
Test CO2 (17/03/2017) Bottle (ppm) iAN (ppm) Error (ppm)
Primo Ciclo Miscela 1 10,50 11,00 -0,50 Miscela 2 497 518 -21 Miscela 3 851 877 -26 Miscela 4 1490 1482 8 Miscela 5 2075 2086 -11 Miscela 4 1490 1515 -25 Miscela 3 851 914 -63 Miscela 2 497 539 -42 Secondo Ciclo Miscela 1 11 28 -18 Miscela 2 497 538 -41 Miscela 3 851 889 -38 Miscela 4 1490 1522 -32 Miscela 5 2075 2112 -37 Miscela 4 1490 1550 -60 Miscela 3 851 936 -85 Miscela 2 497 549 -52 Terzo Ciclo Miscela 1 11 44 -34 Miscela 2 497 540 -43 Miscela 3 851 896 -45 Miscela 4 1490 1516 -26 Miscela 5 2075 2102 -27 Test CO (24/03/2017) Bottle (ppm) Incertitude Bottle (ppm) Siemens (ppm) iAN (ppm) Maximum read error (ppm) Primo Ciclo Miscela 1 0,201 0,017 0,01 0,0 0,22 Miscela 2 1,02 0,059 0,96 1,4 0,44
Miscela 3 2,03 0,11 1,95 2,7 0,78 Miscela 4 5,02 0,22 4,97 5,9 1,10 Miscela 5 7,62 0,31 7,60 7,5 0,43 Miscela 4 5,02 0,22 4,95 5,3 0,50 Miscela 3 2,03 0,11 1,95 2,2 0,28 Miscela 2 1,02 0,059 0,82 1 0,08 Secondo Ciclo Miscela 1 0,201 0,017 0,01 0,0 0,22 Miscela 2 1,02 0,059 0,8 1,2 0,24 Miscela 3 2,03 0,11 1,87 2,7 0,78 Miscela 4 5,02 0,22 4,94 6,0 1,20 Miscela 5 7,62 0,31 7,53 7,5 0,43 Miscela 4 5,02 0,22 4,96 5,9 1,10 Miscela 3 2,03 0,11 1,93 2,7 0,78 Miscela 2 1,02 0,059 0,82 1,3 0,34 Terzo Ciclo Miscela 1 0,201 0,017 -0,09 0,0 0,22 Miscela 2 1,02 0,059 1,04 1,4 0,44 Miscela 3 2,03 0,11 2,09 2,7 0,78 Miscela 4 5,02 0,22 4,95 6,0 1,20 Miscela 5 7,62 0,31 7,62 7,7 0,39 Miscela 4 5,02 0,22 5,23 6,3 1,50 Miscela 3 2,03 0,11 2,14 2,9 0,98 Miscela 2 1,02 0,059 1,03 1,3 0,34 Miscela 1 0,201 0,017 0,23 0,0 0,22
Test He (27/03/2017) Bottle (%) Incertitude
Bottle (%) iAN (%) Maximum read error (%) Temperatur e (°C) Primo Ciclo Miscela 1 99,52 0,00 99,60 0,00 17,4 Miscela 2 98,04 0,03 97,75 -0,32 17,6 Miscela 3 89,96 0,11 90,00 0,15 18,3 Miscela 4 76,40 0,18 76,50 -0,08 19,6 Miscela 5 49,15 0,25 49,50 0,60 20,3 Miscela 4 76,40 0,18 76,03 -0,55 20,6 Miscela 3 89,96 0,11 88,62 -1,45 21,1 Miscela 2 98,04 0,03 95,83 -2,24 21,3 Secondo Ciclo Miscela 1 99,52 0,00 97,16 -2,36 21,5
Page 54 of 77 Miscela 2 98,04 0,03 95,70 -2,37 21,8 Miscela 3 89,96 0,11 88,30 -1,77 22,1 Miscela 4 76,40 0,18 75,65 -0,93 22,4 Miscela 5 49,15 0,25 48,98 -0,42 22,8 Miscela 4 76,40 0,18 75,16 -1,42 23,1 Miscela 3 89,96 0,11 87,75 -2,32 23,3 Miscela 2 98,04 0,03 94,98 -3,09 23,4 Miscela 1 99,52 0,00 96,35 -3,17 23,5 Terzo Ciclo Miscela 1 99,52 0,00 99,46 -0,06 25,0 Miscela 2 98,04 0,03 98,02 0,01 25,1 Miscela 3 89,96 0,11 90,86 1,01 25,3 Miscela 4 76,40 0,18 77,76 1,54 25,4 Miscela 5 49,15 0,25 50,63 1,73 25,6 Miscela 4 76,40 0,18 77,43 1,21 25,8 Miscela 3 89,96 0,11 90,46 0,61 25,9 Miscela 2 98,04 0,03 98,02 0,01 26,0 Miscela 1 99,52 0,00 99,46 -0,06 26,3 Quarto Ciclo Miscela 1 99,52 0,00 99,51 -0,01 27,7 Miscela 2 98,04 0,03 98,09 0,08 27,6 Miscela 3 89,96 0,11 90,60 0,75 27,5 Miscela 4 76,40 0,18 77,38 1,16 28,0 Miscela 5 49,15 0,25 50,34 1,44 28,2 Miscela 4 76,40 0,18 76,80 0,58 28,5 Miscela 3 89,96 0,11 89,99 0,14 28,7 Miscela 2 98,04 0,03 97,57 -0,50 28,9 Miscela 1 99,52 0,00 99,06 -0,46 28,9 Quinto Ciclo Miscela 1 99,52 0,00 99,68 0,16 29,4 Miscela 2 98,04 0,03 98,25 0,24 29,3 Miscela 3 89,96 0,11 90,76 0,91 29,0 Miscela 4 76,40 0,18 77,20 0,98 29,7 Miscela 5 49,15 0,25 50,07 1,17 30,1 Miscela 4 76,40 0,18 76,61 0,39 30,3 Miscela 3 89,96 0,11 90,00 0,15 30,5 Miscela 2 98,04 0,03 97,67 -0,40 30,6 Miscela 1 99,52 0,00 99,16 -0,36 30,6
6.1 Test in temperatura
Uno dei test svolti, con lo scopo di una caratterizzazione termica del sensore di ossigeno
e di una conseguente compensazione termica dell’errore di misura, è il test in
temperatura, svolto utilizzando la Camera Climatica Binder KBF 115. Il test prevede la calibrazione dell’analizzatore ad una delle cinque temperature fissate (10°C, 20°C, 30°C, 40°C, 50°C) e la caratterizzazione dell’errore di misura in un range di variazione termica
di ±8°C dalla temperatura di calibrazione. Il livello di umidità interno alla camera
climatica è fissato a 50% u.r.
Le misure rivelano un buon comportamento del sensore a temperature inferiori a 30°C e
la nascita di un errore di offset nelle calibrazioni a 40°C e 50°C. Il test in camera climatica
ha permesso di effettuare la compensazione termica dell’errore di misura e di settare le
soglie di richiesta di ricalibrazione dello strumento a ±5°C dalla temperatura dell’ultima calibrazione.
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Di seguito vengono riportate alcune misurazioni effettuate durante la fase di test in
Camera Climatica Calibrazione a 10°C Camera a 10°C Camera a 8°C Camera a 5°C Camera a 2°C Camera a 12°C Camera a 15°C Camera a 18°C Lettura iAN (%) 10,00 9,45 8,97 8,30 10,20 10,51 10,83 Temperatura Board 12,5°C 10,4°C 7,5°C 4,7°C 13,0°C 16,8°C 19,0°C Errore lettura (%) -0,04 -0,59 -1,07 -1,74 0,16 0,47 0,79
Errore massimo di lettura (%), considerando l'incertezza della
bombola
-0,15 -0,70 -1,18 -1,85 0,27 0,58 0,90
Errore (%) atteso da datasheet
(2,5%/°C, at 25°C) 0,00 ±0,50 ±1,25 ±2,00 ±0,50 ±1,25 ±2,00 Bottle 3 Errore_relativo = Errore_assoluto/Valore_letto 0,00400 0,06243 0,11929 0,20964 0,01569 0,04472 0,07295 Errore_percentuale_sulla_misura 0,40000 6,24339 11,92865 20,96386 1,56863 4,47193 7,29455 Series1 0,000 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 2° 5° 8° 10° 12° 15° 18°
Calibrazione a 20°C Camera a 20°C Camera a 18°C Camera a 15°C Camera a 12°C Camera a 22°C Camera a 25°C Camera a 28°C Lettura iAN (%) 51,95 50,70 47,30 44,75 54,40 59,00 63,05 Temperatura Board 22,5°C 20,7°C 17,9°C 15,3°C 24,2°C 27,4°C 30,4°C Errore lettura (%) 1,10 -0,15 -3,55 -6,10 3,55 8,15 12,20
Errore massimo di lettura (%), considerando l'incertezza della
bombola
1,35 -0,40 -3,80 -6,35 3,80 8,40 12,45
Errore (%) atteso da datasheet
(2,5%/°C, at 25°C) 0,00 ±2,50 ±6,25 ±10,00 ±2,50 ±6,25 ±10,00 Bottle 5 Errore_relativo = Errore_assoluto/Valore_letto 0,02117 0,00296 0,07505 0,13631 0,06526 0,13814 0,1935 0 Errore_percentuale_sulla_misura 2,11742 0,29586 7,50529 13,63128 6,52574 13,8135 6 19,349 72 Series1 0,000 5,000 10,000 15,000 20,000 12° 15° 18° 20° 22° 25° 28°
Page 58 of 77 Calibrazione a 30°C Camera a 30°C Camera a 28°C Camera a 25°C Camera a 22°C Camera a 32°C Camera a 35°C Camera a 38°C Lettura iAN (%) 2,33 2,25 2,10 1,97 2,43 2,50 2,60 Temperatura Board 32,5°C 30,7°C 27,8°C 27,0°C 34,3°C 36,8°C 39,2°C Errore lettura (%) 0,37 0,29 0,14 0,01 0,47 0,54 0,64
Errore massimo di lettura (%), considerando l'incertezza della
bombola
0,40 0,32 0,17 0,04 0,50 0,57 0,67
Errore (%) atteso da datasheet
(2,5%/°C, at 25°C) 0,00 ±0,10 ±0,25 ±0,40 ±0,10 ±0,25 ±0,40 Bottle 2 Errore_relativo = Errore_assoluto/Valore_letto 0,1588 0 0,1288 9 0,0666 7 0,0050 8 0,1934 2 0,2160 0 0,2461 5 Errore_percentuale_sulla_misur a 15,879 83 12,888 89 6,6666 7 0,5076 1 19,341 56 21,600 00 24,615 38 Series1 0,00000 5,00000 10,00000 15,00000 20,00000 25,00000 22° 25° 28° 30° 32° 35° 38°
Calibrazione a 40°C Camera a 40°C Camera a 38°C Camera a 35°C Camera a 32°C Camera a 42°C Camera a 45°C Camera a 48°C Lettura iAN (%) 2,98 2,81 2,68 2,60 3,11 3,33 3,64 Temperatura Board 42,0°C 39,9°C 37,2°C 34,9°C 44,2°C 47,3°C 50,4°C Errore lettura (%) 1,02 0,85 0,72 0,64 1,15 1,37 1,68
Errore massimo di lettura (%), considerando l'incertezza della
bombola
1,05 0,88 0,75 0,67 1,18 1,40 1,71
Errore (%) atteso da datasheet
(2,5%/°C, at 25°C) 0,00 ±0,10 ±0,25 ±0,40 ±0,10 ±0,25 ±0,40 Bottle 2 Errore_relativo = Errore_assoluto/Valore_letto 0,3422 8 0,3024 9 0,2686 6 0,2461 5 0,3697 7 0,4114 1 0,4615 4 Errore_percentuale_sulla_misur a 34,228 19 30,249 11 26,865 67 24,615 38 36,977 49 41,141 14 46,153 85 Series1 0,000 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 32° 35° 38° 40° 42° 45° 48°
Page 60 of 77 Calibrazione a 50°C Camera a 50°C Camera a 48°C Camera a 45°C Camera a 42°C Camera a 52°C Camera a 55°C Camera a 58°C Lettura iAN (%) 0,83 0,81 0,78 0,73 0,86 0,93 1,01 Temperatura Board 52,1°C 49,9°C 47,8°C 44,6°C 54,0°C 56,9°C 59,8°C Errore lettura (%) 0,345 0,325 0,295 0,245 0,375 0,445 0,525
Errore massimo di lettura (%), considerando l'incertezza della
bombola
0,354 0,334 0,304 0,254 0,384 0,454 0,534
Errore (%) atteso da datasheet
(2,5%/°C, at 25°C) 0,000 0,024 0,061 0,097 0,024 0,061 0,097 Bottle 2 Errore_relativo = Errore_assoluto/Valore_letto 0,41566 0,4012 3 0,3782 1 0,3356 2 0,4360 5 0,4784 9 0,5198 0 Errore_percentuale_sulla_misura 41,56627 40,123 46 37,820 51 33,561 64 43,604 65 47,849 46 51,980 20 Series1 0,000 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 42° 45° 48° 50° 52° 55° 58°
6.2 Marcatura CE
Affinchè l’analizzatore di gas sviluppato potesse essere commercialmente vendibile, è stato necessario provvedere alla verifica della Conformità ai requisiti richiesti per la
Marcatura CE. La Marcatura CE è l’indicazione che un prodotto è stato costruito in
conformità ai requisiti previsti dalle Direttive ad esso applicabili e può perciò essere
liberamente immesso sul mercato all’interno dell’Unione Europea. La marcatura “CE” dei prodotti è obbligatoria poiché indica la presunzione di conformità a tutte le direttive
applicabili in sede comunitaria, ed è sinonimo di sicurezza e di tutela per il consumatore.
I prodotti non marcati CE quindi possono essere soggetti al ritiro immediato dal mercato,
accompagnato da pesanti sanzioni.[9] Per poter apporre la marcatura CE è necessario
svolgere alcune attività, normalmente l’iter per la verifica della conformità è il seguente:
• Individuazione delle Direttive applicabili al prodotto;
• Analisi dei requisiti essenziali di protezione o sicurezza ed eventualmente analisi dei rischi associati all’utilizzo del prodotto;
• Identificazione delle norme armonizzate applicabili;
• Esecuzione delle prove, misure o verifiche prescritte dalle norme tecniche armonizzate;
• Costruzione del fascicolo tecnico e mantenimento dello stesso; • Apposizione del Marchio CE sul prodotto.
Sono state seguite le norme riportate nelle seguenti tabelle:
Reference Title
EN 60945 (2002) Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems – General requirements – Methods of testing and required test results.
Page 62 of 77
EN 61000-4-2 (2009) Electromagnetic compatibility (EMC). Part 4: Testing and measurement techniques – Section 2: Electrostatic
discharge immunity test. Basic EMC Publication. EN 61000-4-3
(2006)+A1(2008)+A2(2010)
Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4: Testing and measurement techniques - Section 3: Radiated, radio-frequency, electromagnetic field immunity test.
EN 61000-4-4 (2012) Electromagnetic compatibility (EMC). Part 4: Testing and measurement techniques – Section 4: Electrical fast transient/burst immunity test. Basic EMC publication. EN 61000-4-5 (2014) Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4: Testing and
measurement techniques – Section 5: Surge immunity test.
EN 61000-4-6 (2014) Electromagnetic compatibility (EMC). Part 4: Testing and measurement techniques.-
Section 6: Immunity to conducted disturbances, induced by radio-frequency fields.
EN 61000-4-16
(1998)+A1(2004)+A2(2011)
Electromagnetic compatibility (EMC) Part 4-16: Testing and measurement techniques
Test for immunity to conducted, common mode disturbances in the frequency range 0 Hz to 150 kHz. EN 60068-2-1 (2007) Environmental testing. Part 2: Tests. Test A: Cold
EN 60068-2-2 (2007) Basic environmental testing procedures. Part 2: Tests. Test B: Dry heat
EN 60068-2-6 (2008) Environments testing. Part 2: Tests. Test Fc Vibration sinusoidal
EN 60068-2-30 (2005) Basic environmental testing procedures. Part 2: Tests. Test Db and guidance: Damp heat, cyclic (12 + 12 hour cycle) I test di verifica di conformità sono stati svolti presso i laboratori dell’azienda livornese
TesLab S.r.l. (Laboratorio indipendente di test). Nelle seguenti tabelle sono elencati i test
eseguiti sull’analizzatore iAN:
Test Monitor Display RIF.
NORMATIVO Emissioni condotte (10KHz-30MHz)
Nr. 1 DC input EN 60945
Emissioni irradiate
150KHz-2GHz EN 60945
Immunità ai disturbi condotti a freq. Radio Nr. 1DC input + nr. 6 cavi I/O
150 KHz-80MHz – dwell time 3 secondi 3 Vrms
EN 60945
Interferenze irradiate a frequenze radio
dwell time 3 secondi
Immunità ai disturbi condotti a bassa frequenza Nr. 1 DC
input IACS E10
Immunità ai transitori veloci (BURST)
Nr. 1DC input + nr. 6 cavi I/O EN 60945
Immunità ai transitori di elevata energia (SURGE) Nr. 1
DC input IACS E10
Mancanza di alimentazione e variazione di alimentazione
– nr. 1 DC input IACS E10
Immunità alle cariche elettrostatiche EN 60945
Distanza di sicurezza da Bussola Magnetica EN 60945
Acustic Noise and signals EN 60945
Resistenza di isolamento IACS E10
Rigidità dielettrica IACS E10
Freddo
T=+5°C, durata 2h IACS E10
Caldo Umido
Tmax=+55°C, durata due cicli (48h) IACS E10
Caldo secco
Tmax=+70°C, durata 16h IACS E10
Vibrazioni
Ricerca delle freq. di risonanza Fatica (minimo 90’ per asse)
IACS E10
Test Nr. 4 Remote Boards RIF.
NORMATIVO Emissioni condotte (10KHz-30MHz)
Nr. 1 DC input EN 60945
Emissioni irradiate
150KHz-2GHz EN 60945
Immunità ai disturbi condotti a freq. radio Nr. 1 cavo I/O
150 KHz-80MHz – dwell time 3 secondi 3 Vrms
EN 60945
Interferenze irradiate a frequenze radio 80MHz-2GHz – 10 V/m;
dwell time 3 secondi
EN 60945
Immunità ai disturbi condotti a bassa frequenza Nr. 1 DC
input IACS E10
Immunità ai transitori veloci (BURST)
Nr. 1 cavi I/O EN 60945
Immunità ai transitori di elevata energia (SURGE) Nr. 1
DC input IACS E10
Mancanza di alimentazione e variazione di alimentazione IACS E10
Immunità alle cariche elettrostatiche EN 60945
Distanza di sicurezza da Bussola Magnetica EN 60945
Acustic Noise and signals EN 60945
