Sensori e Trasduttori

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1 Sommario I SENSORI... 3 SENSORI ON-OFF E SENSORI CONTINUI... 3 FEEDBACK... 3 SENSORI ANALOGICI E DIGITALI... 3 PARAMETRI DEI SENSORI... 3 SENSORI PER IL CONTROLLO DI POSIZIONE E DI SPOSTAMENTO... 4 POTENZIOMETRI RETTILINEI... 4 POTENZIOMETRI ROTANTI... 5 TRASDUTTORI A RIGA OTTICA... 5 SENSORI PER IL CONTROLLO DI PROSSIMITÀ... 6 SENSORI A INDUZIONE... 6 SENSORI AD EFFETTO HALL... 6 SENSORI MAGNETICI A CONTATTO REED... 6 SENSORI CAPACITIVI... 7 SENSORI PNEUMATICI... 7 SENSORE A RIFLESSIONE... 8 SENSORE A GETTO DIRETTO... 8 VERSIONE A GETTI CONTRAPPOSTI... 8 SENSORI A ULTRASUONI... 8 SENSORI OPTOELETTRONICI... 9 SENSORI PER IL CONTROLLO DI VIBRAZIONI ACCELEROMETRI TRASDUTTORE ACCELEROMETRICO CAPACITIVO SENSORE A CAPACITÀ VARIABILE SENSORI PER IL CONTROLLO DI PESO E DI DEFORMAZIONE SENSORI ESTENSIMETRICI CELLE DI CARICO SENSORI PER IL CONTROLLO DI VELOCITÀ DINAMO TACHIMETRICA RUOTA DENTATA CON SENSORE DI PROSSIMITÀ ENCODER OTTICO INCREMENTALE

2 SENSORI PER IL CONTROLLO DI LIVELLO TRASDUTTORE A ULTRASUONI TRASDUTTORI A MICROONDE TRASDUTTORI CAPACITIVI TRASDUTTORI A CONDUTTIVITÀ TRASDUTTORI A TASTEGGIO ELETTROMECCANICO SENSORI PER IL CONTROLLO DI PORTATA TRASDUTTORI PER IL CONTROLLO DI PRESSIONE TRASDUTTORI CAPACITIVI TRASDUTTORI ESTENSIMETRICI TRASDUTTORI POTENZIOMETRICI TRASDUTTORI PIEZOELETTRICI SENSORI PER IL CONTROLLO DI TEMPERATURA TERMISTORI RESISTORI NTC (Negative Temperature Coefficient) RESISTORI PTC (Positive Temperature Coefficient) RIVELATORI RTD (TERMORESISTENZE) TERMOCOPPIE

3 I SENSORI I sensori (o trasduttori) convertono una grandezza fisica in una grandezza elettrica, affinché la prima possa essere riconosciuta e utilizzata dai circuiti di controllo di un dispositivo elettrico o elettronico di gestione di un processo. Per definizione quindi il sensore controlla e trasforma delle grandezze fisiche, chimiche, meccaniche ed elettriche generate dai processi tecnologici. SENSORI ON-OFF E SENSORI CONTINUI Si possono trovare in commercio due famiglie di sensori: Sensori con semplici dispositivi di tipo ON/OFF oppure di livello O e 1. In essi viene utilizzato un elemento a soglia, che attua una semplice commutazione quando viene superato il valore impostato della grandezza da controllare. Sensori con dispositivi capaci di trasformare in modo continuo una specifica grandezza fisica in una grandezza elettrica, in grado di mantenere una relazione costante tra le due, tale da poter essere matematicamente calcolata. In essi si utilizza un componente che è in grado di fornire in uscita un valore continuo. FEEDBACK Associate all'utilizzo dei valori in uscita, esistono poi delle tecniche di trattamento dei segnali e di regolazione per riportare il valore o grandezza dal trasduttore al regolatore o controllore del processo (feedback). In questo secondo caso la relazione di proporzionalità, chiamata anche fattore di proporzionalità, non sempre deve essere necessariamente lineare o perfettamente costante. Importante è che essa sia conosciuta e continua, in modo da poter essere corretta con tecniche appropriate ( linearizzazione del componente). SENSORI ANALOGICI E DIGITALI A seconda del tipo di segnale trattato si possono trovare sensori che mettono a disposizione in uscita un segnale che varia in proporzione e in modo continuo al valore della grandezza fisica che lo stesso sensore rileva: in questo caso si parla di trasduttori di tipo analogico. Al contrario, ci sono sensori che emettono in uscita una serie di segnali numerici direttamente legati al segnale rilevato: in questo caso si parla di trasduttori di tipo digitale. PARAMETRI DEI SENSORI I sensori sono contraddistinti da diversi parametri che ne descrivono il comportamento. È possibile effettuare solo una classificazione generale dei parametri perché essi cambiano per ogni dispositivo. In relazione a questa classificazione, si individuano due tipologie di parametri: quelli dinamici e quegli statici. I parametri dinamici considerano la dinamica del sensore per interpretare la misura in uscita conseguente a veloci variazioni del segnale di ingresso (risposta in frequenza e a gradino). I parametri statici riguardano un ventaglio molto più ampio di caratteristiche dei trasduttori; tra queste si possono citare: l'accuratezza, il campo di misura, il campo di sicurezza, il campo di taratura, l'isteresi, la linearità, l' offset di uscita, la precisione, la ripetibilità, la risoluzione, la sensibilità, la stabilità e la vita. 3

4 SENSORI PER IL CONTROLLO DI POSIZIONE E DI SPOSTAMENTO I sensori e i trasduttori utilizzati per il controllo della posizione e dello spostamento trovano applicazione nell'automazione in genere e in molti servomeccanismi. Essi si possono distinguere in vari tipi specifici: Lineari e rotativi, Con uscita analogica o digitale, Funzionanti in base a principi magnetici, induttivi e ottici. POTENZIOMETRI RETTILINEI Il principio di funzionamento del potenziometro rettilineo è lo stesso dei potenziometri lineari, comunemente impiegati nei circuiti di misure elettriche ed elettroniche. Il segnale presente sul cursore del potenziometro è in relazione alla posizione fisica che esso occupa, in riferimento continuo ai due estremi dello stesso potenziometro. In definitiva il concetto che sta alla base di questo trasduttore è la variazione della sua resistenza in relazione allo spostamento impresso dal sistema sul quale è montato. Un potenziometro rettilineo è normalmente composto da una resistenza e da un supporto di ceramica, ma è più facile trovarlo composto da una pista conduttrice di plastica sulla quale viene fatto scorrere un cursore con funzione di contatto. Potenziometro rettilineo con resistenza e supporto in ceramica 4

5 Potenziometro rettilineo con pista conduttrice in plastica POTENZIOMETRI ROTANTI Esistono anche potenziometri rotanti, costituiti da un conduttore avvolto di forma toroidale oppure da conduttori plastici di forma circolare e sono caratterizzati da elevata precisione ed ingombro ridotto. TRASDUTTORI A RIGA OTTICA I trasduttori definiti a riga ottica funzionano sul principio della lettura fotoelettrica di particolari reticoli. Questo principio, prevede una riga di vetro, portante una griglia composta di linee opache e spazi trasparenti di uguale larghezza (cioè avente un rapporto tra linea e spazio di 1:1), posizionata di fronte a una seconda riga con griglia identica, così che le linee sono quasi parallele. Quando queste griglie vengono mosse in relazione l'una all'altra, si formano delle fluttuazioni periodiche di chiarore. L'aspetto molto interessante è dato dal fatto che queste fluttuazioni possono essere convertite in segnali elettrici, impiegando dei sensori fotoelettrici. Per mezzo di questo metodo è possibile ottenere, e quindi osservare, scale graduate molto fini, le quali possono produrre tolleranze molto ristrette. Inoltre, il segnale può essere generato dall'integrazione di un grande numero di linee, così che è possibile eliminare le piccole imperfezioni delle griglie, accrescendo l'accuratezza della misura. A seconda dello specifico sistema di misura adottato, i trasduttori a riga ottica si differenziano in: Sistemi di misura secondo il principio della luce trasmessa; Sistemi di misura secondo il principio della luce riflessa; Sistemi di misura secondo il principio interferenziale. In tutte e tre le soluzioni i trasduttori sono formati da due parti principali: una riga, che rappresenta la parte mobile, e un'unità di misura, che rimane ferma. 5

6 Schema di un sistema di misura a luce trasmessa SENSORI PER IL CONTROLLO DI PROSSIMITÀ I sensori utilizzati nei controlli di prossimità trovano impiego in molti settori; si utilizzano nell automazione industriale, nei servomeccanismi, nell automazione degli uffici, nei sistemi antifurto, ecc. Essi hanno la caratteristica di rilevare la posizione in assenza di contatto, pertanto risultano privilegiati rispetto agli altri sensori. SENSORI A INDUZIONE I sensori di prossimità induttivi vengono utilizzati per rilevare oggetti metallici. Sono composti da da un oscillatore ad alta frequenza in grado di produrre un campo elettromagnetico. La presenza di un oggetto metallico nell area di azione del sensore determina una diminuzione dell ampiezza dell oscillazione (poiché assorbe parte dell energia elettromagnetica). Alla diminuzione dell ampiezza oltre una determinato soglia il sensore invia un segnale elettrico al dispositivo di controllo. SENSORI AD EFFETTO HALL Quando una piastra metallica (detta cella di Hall) è attraversata da una corrente elettrica e la stessa piastra è inserita in un campo magnetico ad essa perpendicolare, si genera una d.d.p. tra i bordi opposti della piastra. Se la cella di Hall si avvicina un oggetto di natura ferromagnetica il campo magnetico viene alterato, e conseguentemente si avrà una diminuzione della tensione sviluppata dalla cella stessa. SENSORI MAGNETICI A CONTATTO REED Questi sensori sono formati da contatti speciali, denominati reed, azionati da una campo magnetico esterno, generato da un magnete permanente. Un contatto reed (o ampolla reed) è formato da due 6

7 barrette flessibili di materiale ferromagnetico piatte ed ermeticamente sigillate all interno di un tubo di vetro riempito da un gas inerte. All interno dell ampolla le due barrette hanno le estremità prolungate, affacciate l una sull altra, ma senza toccarsi. Quando il contatto viene influenzato da un campo magnetico le estremità delle barrette assumono polarità magnetica di segno opposto e quando il campo magnetico sarà sufficientemente grande, le due barrette si toccano chiudendo il contatto. Quando il campo magnetico cessa, l effetto a molla delle barrette le riporterà nella posizione di riposo, aprendo così il contatto. Sensore magnetico a contatto Reed SENSORI CAPACITIVI I rilevatori di prossimità capacitivi sono dei sensori di tipo passivo che funzionano sfruttando la variazione della capacità parassita che si forma tra il sensore e l oggetto da rilevare. Condizionatamente alla distanza che esiste tra l oggetto da rilevare e la faccia sensibile del sensore, entra in oscillazione un particolare circuito; l oscillazione determina l intervento di un rilevatore a soglia, il quale comanda un amplificatore per l azionamento del carico esterno. Il sensore di prossimità capacitivo può essere impiegato per rilevare oggetti metallici oppure non metallici, come per esempio il legno, la plastica, i liquidi ecc. Normalmente il sensore è provvisto di regolatore a vite della distanza di rilevamento, in modo da poterlo adattare alla specifica applicazione. SENSORI PNEUMATICI Anche nel campo della pneumatica è possibile ritrovare dei sensori che, per la loro particolare struttura, possono essere utilizzati per rilevare degli oggetti nelle immediate vicinanze. I diversi tipi di sensori pneumatici si possono dividere in due gruppi, denominati di prossimità e a interruzione di getto. La loro comune caratteristica è di utilizzare, se alimentati a bassa pressione, degli elementi di amplificazione, in quanto anche il segnale in uscita risulta essere di insufficiente pressione. 7

8 SENSORE A RIFLESSIONE II primo tipo di sensori, denominato di prossimità o a riflessione, funziona sull emissione di un getto d aria che, in condizioni di assenza dell oggetto da rilevare, determina una depressione nel condotto di rilevamento dello stesso sensore. A questa condizione viene associata una mancanza di segnale e quindi, in termini elettrici, una condizione di contatto aperto (OFF). Se il getto d aria invece trova come ostacolo la presenza dell oggetto da rilevare viene riflesso dall oggetto e provoca un aumento della pressione nel condotto di rilevamento. A questa seconda condizione viene associata la presenza di segnale e quindi, in termini elettrici, una condizione di contatto chiuso (ON). Sensori a riflessione SENSORE A GETTO DIRETTO La versione a getto diretto è formata da un ugello emittente e da uno ricevente, ovviamente allineati. Nella situazione di riposo l ugello ricevente viene colpito dall aria emessa dall altro ugello, determinando per mezzo dell amplificatore un Segnale di uscita. Quando invece per la presenza di un oggetto il flusso d aria viene interrotto, il segnale in uscita viene annullato. VERSIONE A GETTI CONTRAPPOSTI Nella versione a getti contrapposti si crea una fuoriuscita d aria sia nell ugello emettitore sia in quello ricevente. Nel secondo però essa ha una pressione inferiore e l alimentazione viene derivata dalla stessa dell ugello emittente. In assenza dell oggetto la differenza di pressione tra i due crea un fronte d impatto vicino all uscita dell ugello a minor pressione, generando una certa resistenza all uscita della sua aria. Questa resistenza provoca un ritorno di pressione con la conseguente emissione del segnale nel condotto di rilevamento. Se invece si interpone tra i due flussi di aria un oggetto, il flusso a maggior pressione fuoriesce liberamente, non. si crea il fronte d impatto e, senza la resistenza alla libera uscita dell aria dell ugello ricevitore, viene annullato il segnale in uscita. SENSORI A ULTRASUONI I sensori di prossimità ultrasonici si basano sul fenomeno dell emissione di impulsi sonori a elevata frequenza per saggiare la presenza di oggetti situati nelle loro immediate vicinanze. Il loro funzionamento sfrutta il segnale di ritorno (eco) che gli oggetti azionatori riflettono. È principalmente questa caratteristica che li rende idonei per rilevare oggetti di qualsiasi natura, anche a distanza elevata. L elemento principale di trasduzione può essere un elemento piezoelettrico oppure un condensatore. 8

9 Se il sensore a ultrasuoni possiede l elemento emettitore e quello ricevente nel medesimo contenitore e se nel campo di intervento non c è nulla, il treno di impulsi si perde nell aria e non viene generato nessun segnale elettrico. Nel momento in cui un oggetto attraversa il campo di intervento, il treno di impulsi viene riflesso e ritorna verso la fonte d emissione. Viene rilevato dal ricevitore, che lo converte in segnale elettrico. Se il sensore ad ultrasuoni è formato dagli elementi emettitore e ricevente posti in contenitori diversi e se nel campo di intervento non c è nulla, il treno di impulsi arriva senza nessuna interruzione all elemento ricevente che genera un segnale elettrico continuo. Se risulta presente un oggetto nel campo di intervento, il treno di impulsi viene interrotto con la conseguente cessazione del segnale elettrico emesso in uscita. Naturalmente in questo caso i due elementi devono essere opportunamente allineati. Il sensore di prossimità a ultrasuoni può essere impiegato per rilevare oggetti metallici oppure non metallici, come per esempio il legno, la plastica, i liquidi, cioè materiali che riflettono in modo ineccepibile gli ultrasuoni; per quei materiali che assorbono gli ultrasuoni, come per esempio la gommapiuma, e nel caso di impiego di sensori in un unica custodia, viene installato nella zona opposta al sensore uno schermo riflettente: in assenza di oggetti è lo stesso schermo a essere rilevato; quando passa un oggetto gli impulsi sonori non vengono più ricevuti. Sensori ad ultrasuoni SENSORI OPTOELETTRONICI l sensori optoelettronici, o fotoelettrici, fondano il loro funzionamento sulle capacità fisiche degli elementi fotosensibili impiegati a cambiare le loro caratteristiche elettriche in relazione all intensità luminosa della luce che li colpisce. La variazione dell intensità luminosa della sorgente di luce che investe l elemento ricevitore, condizionata dalla presenza o dalla assenza dell oggetto da rilevare, fa sì che quest ultimo emetta un segnale elettrico. Come per gli altri sensori di prossimità, anche il sensore optoelettronico non ha nessun contatto fisico con l oggetto da rilevare e conseguentemente è immune da qualsiasi reazione fisica. Esso può rilevare oggetti di qualsiasi natura, con distanze che variano da pochi millimetri sino a diversi metri. 9

10 Sensori Optoelettronici SENSORI PER IL CONTROLLO DI VIBRAZIONI Il trasduttore che per eccellenza rappresenta gli apparecchi per il controllo della vibrazione prende il nome di accelerometro. Esso è un sistema elettromeccanico che trasforma energia meccanica in energia elettrica. L accelerometro ideale dovrebbe essere sensibile solamente alle vibrazioni. Ciò significa che esso dovrebbe essere insensibile a perturbazioni estranee, quali deformazioni della base o della custodia, accelerazioni trasversali, pressioni statiche, campi magnetici, acustici o altri fenomeni presenti in un normale ambiente. Nella pratica la misura delle vibrazioni è molto delicata; la trasformazione di uno stimolo meccanico in un segnale elettrico può creare il maggiore errore di misura. In certe situazioni è lo stesso montaggio del sensore a creare problemi. È quindi necessario scegliere in fase di dimensionamento e progettazione il sensore che presenta le migliori caratteristiche per ogni applicazione e sia di semplice montaggio. I sensori utilizzati per il controllo delle vibrazioni impiegano normalmente trasduttori piezoelettrici oppure capacitivi. ACCELEROMETRI Un trasduttore piezoelettrico funziona su fenomeni strettamente legati alla struttura molecolare di alcuni cristalli, come per esempio il quarzo. Al manifestarsi di una vibrazione, la struttura molecolare si deforma e genera delle cariche elettriche che, opportunamente trattate da amplificatori elettronici, determinano dei segnali in uscita. L accelerazione che ne deriva risulta direttamente proporzionale alla variazione della velocità e inversamente proporzionale al tempo. Un accelerometro ideale di questo tipo non è facile costruirlo, ma le moderne tecnologie si sono notevolmente perfezionate. 10

11 TRASDUTTORE ACCELEROMETRICO CAPACITIVO produce un segnale di uscita a elevato livello in corrente continua proporzionale all accelerazione. Questo segnale viene realizzato per mezzo di un sensore capacitivo e un circuito elettronico miniaturizzato, contenuto nella stessa custodia del sensore. SENSORE A CAPACITÀ VARIABILE è composto da un disco metallico molto fine, montato tra due elettrodi fissi e isolati La posizione del disco sismico, in rapporto ai due elettrodi, è proporzionale al vettore dell accelerazione perpendicolare agli elettrodi. Sensore a capacità variabile SENSORI PER IL CONTROLLO DI PESO E DI DEFORMAZIONE I sensori per il controllo del peso e della deformazione, ma più generalmente per il controllo della forza, si fondano sul principio dell alterazione provocata da uno sforzo su uno o più resistori, facenti parte di un ponte di misura di tipo estensimetrico. Questi sensori possono essere rappresentati da fogli plastici o da sottili placche di vetro con serigrafati dei resistori metallici oppure da celle di carico, poste in opportuni contenitori, capaci di misurare sforzi molto intensi. Le celle di carico adottano tecniche di misura molto diverse che vanno dai metodi estensimetrici (in versione metallica o a semiconduttore) a quelli capacitivi, ottici o magnetici. Le applicazioni che maggiormente adottano i sensori per il controllo della forza, riguardano i sistemi di allarme, gli azionamenti industriali in genere, i comandi oleodinamici, i sistemi di pesatura automatica, la misura delle deformazioni dei materiali nelle prove strutturali (es. di un ponte). 11

12 SENSORI ESTENSIMETRICI Si definiscono trasduttori estensimetrici quei sensori che hanno la caratteristica di trasformare una deformazione meccanica (o sollecitazione meccanica) in una variazione di resistenza. Normalmente questi trasduttori formano uno o più lati di un ponte di Wheastone e la variazione della loro resistenza è il fattore che provoca uno sbilanciamento della misura eseguita con il ponte e conseguentemente una variazione del valore di tensione emesso. Sensori estensimetrici Essi, pur funzionando su un principio fisico di estrema semplicità, sono diventati con l attuale sviluppo tecnologico strumenti di rilevazione molto sofisticati. Questi sensori sono inoltre caratterizzati da un costo relativamente basso. 12

13 Modelli di griglie utilizzate negli estensimetri Quando si utilizzano gli estensimetri è opportuno tenere conto della resistenza opposta dai cavi di collegamento, per evitare di incorrere in errori, che possono rendere inattendibili le misure eseguite. Le applicazioni nel settore dei trasduttori invece coprono l intero campo delle misure di forza e della pesatura, includendo sistemi di pesatura per tutti i tipi di processi industriali, persone, animali, supermercati, posta e contenuto dei forni a microonde. Si arriva infine ad applicazioni particolari, quali i sensori tattili in robotica e il controllo dell allineamento di sistemi di irrigazione in agricoltura. CELLE DI CARICO Le celle di carico rappresentano la parte principale di un sistema di pesatura elettronica. Esse sono costituite da una provetta di materiale elastico (acciaio o alluminio), il quale, a causa di una forza applicata, subisce una deformazione lineare che risulta essere proporzionale alla forza stessa. Alla provetta vengono incollati quattro estensimetri, collegati a ponte di Wheastone, che ne seguono fedelmente la deformazione. In base a questa semplice tecnologia si trasforma la deformazione meccanica, provocata da una forza, in una variazione di resistenza elettrica lineare e proporzionale alla forza stessa. SENSORI PER IL CONTROLLO DI VELOCITÀ I sensori per il controllo della velocità hanno il principale compito di generare dei segnali proporzionali alla velocità del motore sul quale sono montati. Di solito questi segnali servono come messaggi retroattivi, o di feedback, per permettere all apparecchio di pilotaggio la gestione dell impianto o un controllo più accurato delle variabili del sistema. I sensori che controllano la velocità possono essere di tre tipi diversi: 1. Dinamo tachimetriche 2. Ruote dentate con il sensore di prossimità 3. Encoder ottici incrementali. Mentre la dinamo tachimetrica si presenta come una vera e propria macchina rotante, un encoder ottico incrementale fonda la sua capacità di misurare la velocità nel fatto di poter calcolare lo spostamento angolare moltiplicando la quantità di impulsi generati per la quantità delle distanze che separano due settori contigui. DINAMO TACHIMETRICA Le dinamo tachimetriche si possono definire sensori analogici per misurare, regolare e controllare la velocità, nelle applicazioni industriali a velocità variabile. La loro caratteristica, e la loro funzione fondamentale è quella di fornire un accurata immagine della rotazione, indicando simultaneamente la velocità istantanea, la variazione di velocità, il passaggio per il punto di zero e la direzione di rotazione. Costruttivamente una dinamo tachimetrica è costituita da uno statore che contiene degli induttori a magnete permanente e un rotore composto di un circuito magnetico con un elevato numero di cave rotoriche. Per avere un ottimo funzionamento, a livello di fabbricazione, il collettore viene rifinito 13

14 con utensili al diamante e le spazzole sono provate e rodate prima della taratura, in modo da assicurare un buono e stabile contatto tra spazzola e collettore. Per ottenere un sicuro funzionamento, nella fase di costruzione le dinamo devono venire tarate su entrambi i sensi di rotazione e i rotori devono essere bilanciati dinamicamente per ridurre al minimo le variazioni di segnale dovute alla rotazione. Per garantire ottime prestazioni è importante effettuare il montaggio, l allineamento e l accoppiamento con molta cura. Lo sforzo trasmesso all albero inoltre deve essere ridotto al minimo, in quanto le vibrazioni possono condurre a una usura prematura delle spazzole e del collettore. È da considerare poi che la presenza prossima di un campo magnetico può causare un abbassamento della tensione erogata dalla dinamo. RUOTA DENTATA CON SENSORE DI PROSSIMITÀ I dispositivi con ruota dentata e con sensore di prossimità permettono di rilevare e analizzare la velocità. In dettaglio essi consentono di controllare le velocità di rotazione superiori o inferiori a quella prestabilita (rallentamento o sovravelocità), oppure rilevare le velocità di passaggio degli oggetti, in riferimento a una soglia predefinita, oppure di costituire un contagiri elettronico. Il sistema è costituito da un sensore di prossimità di tipo induttivo, capacitivo, magnetico a effetto Hall oppure optoelettronico, azionato da un riferimento (azionatore), montato sull asse rotante della macchina da controllare e da un dispositivo di rivelazione della velocità. Se per esempio viene utilizzato un sensore magnetico a effetto Hall, il controllo della velocità viene realizzato dalla gestione degli impulsi, generati in concomitanza alla variazione del campo magnetico effettuata dai denti della ruota. Da un lato in una cella di Hall, inserita in un campo magnetico a essa perpendicolare, si fa passare una corrente elettrica e si genera una differenza di potenziale tra i bordi opposti della stessa piastra. Dall altro, i denti della ruota, passando nelle vicinanze della cella di Hall, modificano il campo magnetico e determinano variazioni del valore della tensione generata. Lo specifico sensore di prossimità sarà scelto in base all ingombro e alla distanza di funzionamento. Il sistema, è considerato ad alta affidabilità e durata nel tempo e non subisce alterazioni alle proprie caratteristiche anche se viene usato in ambienti e funzioni gravose, in quanto è privo di contatto fisico. Il sensore di prossimità invia un treno di impulsi al dispositivo di rilevazione, che li gestisce con una particolare frequenza, in modo che il periodo sia inversamente proporzionale alla velocità di rotazione; il periodo generato viene comparato dal dispositivo di rivelazione con un periodo prefissato (regolabile in funzione alla velocità da rilevare), facente parte della base dei tempi interna. 14

15 ENCODER OTTICO INCREMENTALE Il principio su cui si basano è la trasmissione di energia luminosa tra una sorgente luminosa (diodo emettitore) ed un fotosensore di ricezione (fotodiodo o fototransistor), funzione del moto relativo tra la coppia sorgente-ricevitore ed un corpo interposto, detto maschera mobile, caratterizzato da settori opachi accanto a settori trasparenti. Il segnale raccolto dai fotosensori viene fornito in ingresso ad un circuito comparatore che presenta in uscita un segnale logico alto se il segnale del fotosensore è maggiore della soglia Vr, basso nel caso opposto. Le transizioni del segnale digitale in uscita dal comparatore possono essere contate da un opportuno circuito logico (contatore) che fornisce un numero digitale proporzionale alle transizioni chiaroscuro della maschera e quindi allo spostamento relativo tra la coppia sorgente ricevitore e la maschera stessa. Lo spostamento viene rilevato per via incrementale rispetto ad una posizione di riferimento interno (il canale di zero) od esterno (un interruttore meccanico). Tale configurazione viene adottata nella maggioranza dei robot industriali che, in fase di accensione, eseguono un ciclo di movimentazione per ciascun braccio allo scopo di azzerare uno ad uno gli encoder di cui dispongono. 15

16 SENSORI PER IL CONTROLLO DI LIVELLO Spesso è necessario monitorare la quantità di un mezzo (liquido, solido, in polvere o granulare), inserito in un contenitore, in modo che vengano garantiti generalmente due livelli, minimo e massimo, oltre ai quali subentra una situazione non accettabile. I trasduttori impiegati in questo genere di controlli devono essere in grado di trasformare i valori delle misure eseguite in opportuni segnali, in modo che con la loro elaborazione possano comandare o meno gli azionatori presenti. A seconda della natura del prodotto da controllare, delle dimensioni del contenitore e di quale materiale è composto il contenitore, si hanno a disposizione diverse tecniche. Esse si possono differenziare a seconda dello specifico principio fisico impiegato, che può essere: 1. A galleggiante; 2. A microonde; 3. A lamelle vibranti, ; 4. A ultrasuoni; 5. Ottico; 6. A tasteggio di origine elettromeccanica; 7. Capacitivo; 8. A pressione; 16

17 9. A conduttività. Verranno perciò di seguito illustrati i più rilevanti. TRASDUTTORE A ULTRASUONI Gli ultrasuoni sono onde sonore caratterizzate da una frequenza molto elevata (più di cicli al secondo). Essi conservano tutte le caratteristiche del suono, e cioè presentano il fenomeno dell eco, e si propagano con molta più rapidità nei materiali densi come l acqua e i metalli. Un trasduttore ultrasonico è formato essenzialmente da un sistema in grado di emettere un treno di impulsi ultrasonici, rappresentato da un sensore a cristalli piezoelettrici, e ricevere le onde riflesse da eventuali ostacoli. Se è nota la velocità delle sue onde nel mezzo trattato, i segnali che lo stesso sistema riceve sono in relazione al tempo che intercorre tra l emissione dei segnali e il ricevimento del loro eco. In base a questi parametri è possibile risalire al livello di materiale presente all interno del contenitore. Rilevamento del livello di un liquido tramite un sensore ultrasonico I trasduttori di livello ultrasonici, collegati alle loro unità di controllo, permettono il rilevamento di quasi tutti i materiali, liquidi, solidi o in polvere, senza necessità di contatto fisico. Essi sono disponibili con due diversi tipi di uscite: ON/OFF (a relè) e analogica in corrente (da 4 a 20 ma). TRASDUTTORI A MICROONDE Il trasduttore a microonde è un apparecchio di misura del livello di liquidi, materiali pastosi e fanghi, racchiuso in serbatoi di immagazzinamento o di processo produttivo, che non necessita di contatto con il materiale presente nel recipiente. Il trasduttore di livello a microonde è un apparecchio che fonda il proprio funzionamento sull emissione di onde elettromagnetiche a elevata frequenza ed è composto da due elementi, l emettitore e il ricevitore, che si possono trovare situati in custodie diverse oppure inseriti nella medesima custodia. L emettitore genera impulsi a microonda a una frequenza di 1 khz circa, che vengono rilevati con la stessa frequenza dal ricevitore. Nel caso in cui del materiale da rilevare si interponga tra i due trasduttori, la frequenza ricevuta risulta minore di quella emessa e questa 17

18 differenza fa intervenire l apparecchio di rivelazione che determina la chiusura o l apertura dei contatti elettrici o il loro scambio. Sistema con trasduttore a microonde Nel caso in cui invece l emettitore e il ricevitore si trovino nella medesima custodia è possibile ottenere un funzionamento del trasduttore come nel caso appena descritto, allineandolo con un pannello riflettente, oppure utilizzare una emissione di onde in modulazione di frequenza, utilizzando il materiale da controllare come schermo riflettente. Sistema con trasduttore a microonde (in un unica custodia) Un segnale lineare a onde in modulazione di frequenza con un ampiezza costante viene cioè emesso da una antenna e viene riflesso dall oggetto da controllare. Il segnale dovuto alle microonde riflesse viene ricevuto dopo un certo tempo di ritardo e, nel tragitto di ritorno, si mescola con una parte del segnale di trasmissione. La frequenza del segnale misto risultante, che viene rilevata in uscita, risulta così essere direttamente proporzionale al tempo di ritardo e conseguentemente costituisce l esatta indicazione della distanza tra il trasduttore e la superficie del materiale presente nel contenitore (livello). 18

19 TRASDUTTORI CAPACITIVI Le sonde di livello che funzionano sul principio capacitivo vengono impiegate in tutti quei luoghi nei quali è necessario controllare il livello di sostanze non conduttrici, liquide o solide, in polvere, in granuli o in piccola pezzatura. Esse normalmente vengono inserite, verticalmente o lateralmente, sulla parete di un serbatoio e le applicazioni più caratteristiche di questi trasduttori si riscontrano nei silos per il controllo del livello di cereali, foraggi, nei mangimifici, pastifici, fonderie, cementerie ecc. Esempi di sonde di livello capacitive Per poter controllare il livello di materiali così diversi ci si basa sulla variazione di capacità, utilizzando un sensore come elettrodo, che può avere la forma di un asta o di una fune, inserito all interno di un serbatoio. La superficie interna del serbatoio, o silo, e l elettrodo formano le armature di un ipotetico condensatore, la cui capacità varia in funzione della sostanza di riempimento. La capacità risultante dipenderà quindi sia dal tipo di materiale utilizzato sia dalla sua quantità presente all interno del serbatoio. È importante considerare il tipo di prodotto da rilevare (liquido, nelle varie densità, solido, dalla polvere alle grosse pezzature, appiccicoso o aggressivo). TRASDUTTORI A CONDUTTIVITÀ I trasduttori di livello a conduttività non hanno la necessità di possedere un galleggiante. Essi sono trasduttori per il controllo di liquidi elettricamente conduttori; funzionano sulla resistività dei liquidi e rilevano il livello per mezzo di elettrodi annegati nel liquido conduttivo. La presenza di liquido tra l elettrodo, o gli elettrodi, e la superficie metallica del serbatoio o l elettrodo di massa (sonde rilevatrici), provoca il funzionamento del circuito elettronico, situato nell unità di controllo, e la conseguente commutazione dei contatti del relè in uscita. Generalmente questo tipo di trasduttori trova applicazione nel circuito di comando di sistemi di pompaggio, dove permette di mantenere il 19

20 livello di pozzi o serbatoi entro limiti prestabiliti, ma è possibile trovarlo anche inserito in sistemi completamente diversi. Schema di collegamento di un trasduttore (o regolatore) di livello con un contattore, il quale a sua volta comanda il funzionamento di un motore e di una pompa Il tipo rappresentato può svolgere le funzioni di mantenimento del liquido tra due punti prefissati (ovviamente massimo e minimo), inserire un allarme al raggiungimento del massimo livello oppure inserire l allarme al raggiungimento del minimo livello. I tre elettrodi utilizzati e rappresentati in figura svolgono le funzioni rispettivamente di OFF (E1), ON (E2) e massa (E3). Nel caso in cui il serbatoio impiegato sia metallico, è possibile omettere l elettrodo di massa (E3) e collegare il suo morsetto alla superficie metallica del serbatoio. In linea di massima nel controllo del livello di pozzi o serbatoi è possibile incontrare trasduttori a due oppure a tre sonde. Quando il trasduttore a conduttività viene accoppiato a due sonde (minimo e comune) l intenzione principale è quella di proteggere il funzionamento contro la marcia a secco. Quando viene alimentato il relè, contenuto nel sistema di questo trasduttore, si eccita e il sistema di pompaggio si avvia automaticamente. Quando la sonda di minimo livello viene scoperta, e cioè si verifica una interruzione del collegamento elettrico tra la sonda di minimo e la sonda comune, il relè si diseccita. 20

21 TRASDUTTORI A TASTEGGIO ELETTROMECCANICO I sistemi che impiegano i trasduttori di livello a tasteggio elettromeccanico hanno conosciuto una enorme diffusione nella misurazione continua di prodotti liquidi e solidi, contenuti in silos o in serbatoi di processo produttivo e caratterizzati da un massimo livello di misura sia di tipo fisso sia fluttuante. Un trasduttore a tasteggio elettromeccanico si compone di tre parti fondamentali: 1. Un corpo principale; 2. Un filo; 3. Un peso (tastatore). Il filo, che parte dal corpo principale e si collega al peso, ha una lunghezza che varia a seconda dell altezza del contenitore e del campo di rilevamento. Il filo viene controllato da un apposito dispositivo che, rilevando l allentamento della sua forza di tensione, comanda la sua risalita oppure la sua discesa. Esempio di sistema con trasduttore a tasteggio elettromeccanico 21

22 SENSORI PER IL CONTROLLO DI PORTATA Per prima cosa è importante sapere che la velocità di flusso di un fluido all interno di una tubazione si presenta con profili di tipo parabolico con valori nulli nelle vicinanze della parete e con valori massimi al centro del tubo. Due sono le forze che si contrastano e che danno luogo a questo fenomeno di conformazione parabolica: la quantità di moto del flusso e lo scorrimento viscoso. I trasduttori per la misura della portata si possono suddividere in due principali categorie: i trasduttori di portata volumetrici e quelli di massa. 1. Sensori Per deduzione: misurano il flusso di una massa, misurando dei segnali a essa associati. Combinano in sostanza le misure di portata volumetrica con quelle di un densimetro. 2. Sensori a massa reale; si tratta di misuratori di portata che funzionano sul principio di Coriolis. Sono misuratori di massa reale che utilizzano le quantità di moto lineare e angolare per calcolare la velocità dei fluidi. TRASDUTTORI PER IL CONTROLLO DI PRESSIONE La modalità tradizionale per misurare la pressione di un gas o di un liquido si basa sulla trasformazione dello sforzo impresso per mezzo di un piccolo foro a una sottile membrana di materiale, facendola deformare. Misurando la variazione della resistenza elettrica, indotta sugli speciali resistori sparsi sulla superficie della membrana, si determina il valore di pressione. Essi si differenziano a seconda del principio adottato nella trasduzione tra le forze applicate ed il sistema elettrico e si possono distinguere in trasduttori di tipo estensimetrico, ottico, capacitivo, induttivo e piezoresistivo. Una misura può essere correlata a tre diversi riferimenti di pressione: 1. Pressione assoluta riferita al vuoto assoluto, creato all interno del sensore di pressione. 2. Pressione relativa, ossia la pressione esterna al trasduttore (pressione barometrica). 3. Pressione relativa sigillata, riferita ad una precisa pressione di soglia creata e sigillata all interno del sensore di pressione. TRASDUTTORI CAPACITIVI I trasduttori di pressione capacitivi utilizzano un diaframma posizionato tra le due armature di un condensatore, il quale muovendosi determina una variazione della capacità del condensatore. La variazione della capacità viene utilizzata per cambiare la frequenza di un oscillatore. 22

23 In questo tipo di trasduttori è sufficiente un piccolo spostamento per causare variazioni del segnale. I trasduttori capacitivi risultano strumenti ideali per effettuare misure all interno del vuoto e presentano una eccellente precisione e un ottima risoluzione. TRASDUTTORI ESTENSIMETRICI In questo tipo di trasduttori una pressione idraulica o pneumatica, agendo su un sistema di forze, provoca una deflessione meccanica che viene trasmessa a un estensimetro. La sua variazione di resistenza elettrica risulta dipendere dalla sua lunghezza e dalla pressione applicata. Se si inserisce l estensimetro in un ramo di un ponte di Wheastone, è possibile convertire lo stress meccanico subito dall estensimetro in segnale elettrico. L uscita del ponte produrrà un valore di tensione che varierà a seconda della sua resistenza risultante. TRASDUTTORI POTENZIOMETRICI La pressione, esercitata su un soffietto o su un tubo di Bourdon, è tradotta in segnale elettrico mediante il movimento di un cursore attorno a un avvolgimento o a un resistore. Il segnale, prodotto dallo spostamento del cursore, viene normalmente amplificato per incrementare la risoluzione. Inoltre è spesso necessario impiegare una massa bilanciata per ridurre gli errori di accelerazione. TRASDUTTORI PIEZOELETTRICI La forza applicata sulla membrana di questo tipo di trasduttori di pressione viene trasferita su un asse di un cristallo asimmetrico. Sul cristallo quindi viene applicata una forza di tensione che lo induce a generare una carica elettrica. SENSORI PER IL CONTROLLO DI TEMPERATURA Da sempre la misurazione e il rilevamento delle variazioni termiche sono stati le principali applicazioni dei sensori. Tempo addietro si misurava la temperatura con metodi meccanici sfruttando la dilatazione dei metalli o dei liquidi. Attualmente si impiegano sensori più sofisticati, quali termistori, termocoppie, termoresistenze con sensori al silicio discreti o integrati. Si può definire trasduttore di temperatura quel dispositivo che è capace di trasformare una temperatura in una grandezza elettrica. TERMISTORI I termistori vengono utilizzati come sensori di temperatura, elementi di protezione e compensatori di variazioni di temperatura nei circuiti. Essi a livello funzionale, si differenziano per il riscaldamento che può essere del tipo diretto oppure indiretto. l termistori con riscaldamento di tipo diretto ricavano la variazione di temperatura direttamente dal passaggio della corrente nell impasto. l termistori a riscaldamento indiretto invece sono dotati di una piccola spirale che avvolge l elemento resistivo ed è il passaggio della corrente in questa piccola spirale che provoca la variazione di temperatura. 23

24 La loro forma può essere di tipo a disco o cilindrica (forme caratteristiche dei termistori a riscaldamento diretto e che sono dotate di due terminali di collegamento) oppure a goccia (questa forma invece denota sia termistori a riscaldamento diretto sia indiretto e presenta strutturalmente quattro terminali di collegamento). RESISTORI NTC (Negative Temperature Coefficient) Sono un particolare tipo di semiconduttori nei quali la resistenza diminuisce all aumentare della temperatura. Essi sono caratterizzati da un coefficiente termico elevato e negativo. Quando sono inseriti in un circuito, essi trasformano la variazione di temperatura in variazione di tensione. I resistori NTC introducono un errore dovuto all autoriscaldamento e spesso la loro risposta deve essere linearizzata. Colore Primo settore Secondo settore Moltiplicatore Nero MARRONE ROSSO ARANCIONE GIALLO VERDE BLU VIOLA GRIGIO 8 8 BIANCO 9 9 Valori nominali dei termistori NTC mediante l uso dei codici colore (la lettura si esegue da sinistra verso destra) RESISTORI PTC (Positive Temperature Coefficient) Sono dei particolari tipi di semiconduttori nei quali la resistenza varia in funzione della temperatura. A differenza dei precedenti, essi sono caratterizzati da un coefficiente termico sempre accentuato 24

25 ma positivo. Le diverse forme che si trovano in commercio sono dello stesso tipo dei resistori NTC e anch essi utilizzano degli ossidi (di bario e di titanio) opportunamente trattati. Essi, a differenza dei precedenti, producono una risposta fortemente non lineare, che solo in via sperimentale può essere linearizzata. RIVELATORI RTD (TERMORESISTENZE) Un sistema molto diffuso per la misura della temperatura è l utilizzo delle termoresistenze, chiamate anche RTD (Resistence Temperature Detector). Una termoresistenza è di fatto un elemento passivo formato da materiale metallico che varia il suo valore resistivo in funzione della temperatura. In commercio si trovano termoresistenze in platino e nichel aventi la forma di filo o di film e con valore resistivo pari a 100 ohm a 0 gradi centigradi. Costruttivamente una termoresistenza è un filamento avvolto di platino o di nichel che viene annegato in un materiale isolante, di solito ceramica o vetro. Nelle applicazioni industriali il campo classico nel quale le termoresistenze vengono maggiormente utilizzate va dai -220 C agli 850 C. Tra le caratteristiche negative è opportuno menzionare che le termoresistenze hanno un elevato costo, presentano un autoriscaldamento, sono poco robuste e sono caratterizzate da una scarsa resistenza alle vibrazioni. La caratteristica positiva più evidente è data da una eccellente stabilità. Infine le caratteristiche proprie delle termoresistenze sono una sensibilità distribuita lungo lo stelo, uno scarso ingombro, la richiesta di alimentazione e un output in resistenza (ohm). TERMOCOPPIE Le termocoppie hanno rappresentato il primo metodo di misurazione elettrica della temperatura, costituendo sensori estremamente semplici e affidabili. Denominate anche coppie bimetalliche o coppie termoelettriche, esse basano il loro funzionamento sull effetto di termoelettricità (effetto Seebeck), il quale definisce il generarsi di un potenziale elettrico ai capi della termocoppia come funzione della differenza di temperatura tra il giunto di misura e il giunto di riferimento. Nello specifico se due differenti metalli vengono a contatto, alcuni elettroni passano da un metallo all altro. Lo spostamento continua fino a quando la tensione di contatto generata non lo blocca. Questa particolare tensione di contatto dipende dai metalli usati e dalla loro temperatura (tensione termoelettrica) e generalmente vale pochi μv. Nella situazione in cui i due metalli vengono chiusi su un circuito elettrico e i due punti di contatto vengono riscaldati a differente temperatura, le tensioni di contatto generate non si compensano più e si genera una circolazione di corrente termoelettrica che trae la sua energia dalla sorgente di calore. È un effetto che definisce una conversione diretta del calore in energia elettrica. l giunti che caratterizzano la termocoppia sono anche chiamati giunto caldo e giunto freddo. In base alla relazione sopra esposta è possibile per ogni tipo di giunzione stabilire un riferimento tabellare, nel quale alla temperatura specifica del giunto corrisponde un valore di tensione generata. La relazione risultante, però, non presenta un andamento lineare e la tensione riscontrata, dell ordine dei millivolt, varia in base ai materiali utilizzati. 25