Progettazione e realizzazione di un sistema embedded per il controllo di temperatura e di pressione in ambito metrologico

L’attività della tesi in oggetto è stata svolta presso la Sezione Termometria dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM).
In questo istituto è nata l’esigenza di progettare un controllore di pressione e di temperatura che sia indipendente dal calcolatore e sia basato su un sensore di pressione commerciale. Il nuovo sistema invece, pur permettendo di essere controllato tramite calcolatore, è da esso del tutto indipendente ed è interamente coordinato da un microcontrollore. Il microcontrollore gestisce infatti l’immissione di dati mediante tastierino numerico, l’acquisizione della pressione attraverso un sensore e un convertitore analogico-digitale a 24 bit, la visualizzazione di informazioni tramite un display, lo scambio di dati con un calcolatore grazie alla porta seriale e lo stadio di attuazione mediante l’azionamento di una serie di elettrovalvole. In particolare il nuovo controllore permette di effettuare quattro funzioni, ovvero un cambiamento ampio di pressione, una regolazione fine, una pulitura automatica della linea di pressione e un controllo manuale delle elettrovalvole. Il controllore è in grado di valutare in modo automatico gli algoritmi di regolazione del sistema o della linea di pressione a cui è collegato, garantendo buone prestazioni in termini di stabilità in tutto il campo di utilizzo. Nella prima parte del lavoro si sono analizzate le tecnologie innovative usate nella metrologia per definire nuovi campioni di temperatura, quali i tubi di calore a controllo di pressione, l’amplificatore di temperatura e il controllore di pressione realizzato presso l’INRiM. Il passo successivo è consistito nell’analizzare alcuni microcontrollori con i relativi ambienti di sviluppo che i produttori mettono a disposizione, ricercando una distribuzione scalabile, aggiornata e usata su vasta scala. Sulla base di queste preferenze si è arrivati a scegliere come microcontrollore l’ATMega32, che è supportato da un ambiente di sviluppo che non necessita di alcuna licenza e che è ben conosciuto. Si è passati quindi al progetto della parte hardware del sistema embedded per il controllo di pressione, scegliendo vari componenti in modo da effettuare l’acquisizione della pressione, l’impostazione di parametri, la visualizzazione di dati e la gestione delle elettrovalvole. La fase successiva è consistita nello scrivere il firmware, ovvero la descrizione del software caricato nel microcontrollore per gestire le varie componenti hardware, quali il convertitore analogico-digitale, il tastierino, il display, lo stadio di potenza e la connessione seriale. Nello sviluppare questa parte si è preferito puntare ad ottenere la massima modularità, cercando di creare una serie di librerie riutilizzabili in progetti futuri. A questo punto si è realizzato il prototipo del controllore per poter effettuare una serie di prove di laboratorio al fine di verificare il funzionamento del sistema complessivo. Parte del circuito è stato realizzato su scheda millefori, in modo da effettuare e modificare facilmente i collegamenti tra i vari dispositivi. Il montaggio e il collaudo del controllore è avvenuto per fasi, controllando di volta in volta la correttezza delle varie parti montate. In un secondo momento si sono realizzati anche i layout mediante la tecnica della fotoincisione.
Per poter valutare le prestazioni del sensore di pressione impiegato, si è fatta un’analisi sulle sue caratteristiche di rumore elettrico. Per tale motivo si è valutata la varianza di Allan, dalla quale si sono potute dedurre importanti informazioni, quali il livello minimo di rumore presente nel sensore e il tempo di integrazione ottimale per avere tale rumore. Verificato il corretto funzionamento del sistema, si è passati alla fase conclusiva, in cui è stata valuta la stabilità del sensore di pressione MKS e in cui sono stati effettuati diversi tipi di regolazione al fine di valutare e migliorare le prestazioni del sistema. Infine sono state effettuate prove su ampie variazioni di pressione. I risultati ottenuti si possono considerare più che soddisfacenti in relazione al sensore usato.
In conclusione si può affermare che questa tesi di laurea ha permesso la realizzazione di un nuovo controllore di pressione. Un’ ulteriore versione del controllore è prevista al fine di migliorare la stabilità della pressione, sostituendo il sensore MKS con uno avente caratteristiche migliori. Inoltre, per cambiare il campo di operatività, è prevista la possibilità di utilizzare uno o più sensori operanti in campi diversi di pressione.