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1 PREMESSA In questa lezione verranno illustrate la classificazione delle diverse tipologie di trasduttori utilizzati nei sistemi di controllo industriali ed i loro parametri caratteristici. CLASSIFICAZIONE DEI SENSORI E TRASDTTORI I sistemi di regolazione e controllo per funzionare correttamente necessitano di conoscere il valore effettivo della variabile da controllare istante per istante. Per far ciò occorre un elemento in grado di misurare e successivamente convertire in segnale elettrico il valore della grandezza: il trasduttore. n trasduttore è uno strumento che rileva una grandezza da misurare e la trasforma in una grandezza elettrica (trasduttori elettrici), pneumatica (trasduttori pneumatici), o d altra natura. Tale grandezza spesso è proporzionale al valore di quella misurata ma, in generale, segue una legge non lineare. Si definisce in genere: Sensore: elemento sensibile o dispositivo sensitivo in grado di rilevare le variazioni di una certa grandezza e di fornire in uscita un altra grandezza fisica o parametro elettrico senza utilizzo di fonti di energia. (Es. termometro a mercurio: temperatura variazione di volume) Trasduttore: insieme costituito da un elemento sensibile e da un convertitore, che elabora la variazione della grandezza e la trasforma in segnale elettrico utilizzabile dal processo in cui è inserito. E possibile classificazione i trasduttori in base a diversi criteri, ad esempio: Criterio Trasduttori Caratteristiche Grandezza misurata Apporto energetico Segnale di uscita bicazione di posizione di movimento di azione dinamica di portata di temperatura attivi passivi analogici digitali interni esterni per misure di distanza o presenza per misure di spostamento, velocità o accelerazione per misure di forza, coppia o pressione per misure di portata per misure di temperatura se l'energia in uscita è fornita dal segnale di ingresso se necessita di una fonte di energia ausiliaria segnale di uscita continuo segnale di uscita binario misurano grandezze relative ad un componente del sistema stesso misurano grandezze relative all ambiente che circonda il sistema Commission. 1

2 n esempio, invece, di classificazione dei trasduttori in base alla grandezza misurata articolati secondo il principio fisico utilizzato può essere dato dalla seguente tabella: di Pressione di Portata di Posizione di Velocità di Forza e di Deformazione di Temperatura Ottici Barometro aneroide Capacitivi, induttivi, piezoelettrici Tubo di Venturi Turbina Rotametri Potenziometri Trasformatore ad E Trasformatore differenziale Trasduttori capacitivi Resolver Inductosyn (lineare e rotativo) Encoder (lineari, rotativi e assoluti) Induttivi Capacitivi Sensori di prossimità (Finecorsa) Magnetici o a contatti Reed ad ltrasuoni a Flusso d'aria ad effetto Hall Fotodiodi Dinamo tachimetrica Ruota fonica Encoder ottici Estensimetro o ponte di Strain-Gauge Per variazione di resistenza Termoresitenze Termistori (NTC e PTC) Per variazione di d.d.p tra due metalli (Termocoppie) ( C) Elementi fotosensibili (Pirometri elettronici) Cellule fotoelettriche o fotovoltaiche (V) Fotoresistenze Fotodiodi o fototransistor I sensori a loro volta possono essere classificati in base al fenomeno utilizzato per rilevare il valore da misurare, e quindi in: - meccanici: sfruttano la deformazione di un elemento (membrane, cilindri pneumatici, ) - elettrici: sfruttano alcune caratteristiche elettriche dei materiali (resistenza, induttanza, capacità, ) - acustici: usano la variazione dei parametri caratteristici di una onda sonora (frequenza, velocità di propagazione, ) - ottici: usano l interruzione di un raggio luminoso per rilevare la presenza di un oggetto - a semiconduttori: sfruttano alcune proprietà dei semiconduttori (effetto fotoelettrico, foto resistività, termo resistività, ) - magnetici: usano la variazione del flusso magnetico. Commission. 2

3 PARAMETRI CARATTERISTICI Vediamo alcuni parametri caratteristici dei trasduttori che devono essere noti prima di effettuare una scelta. n elemento che caratterizza un trasduttore è la sua caratteristica di trasferimento, ovvero la relazione matematica esistente tra la grandezza di uscita e quella di ingresso. Normalmente questa legge è di proporzionalità diretta, ma può anche assumere una forma più complessa ed in quei casi si cerca di utilizzare il dispositivo nei tratti in cui la sua caratteristica di trasferimento può con buona approssimazione essere considerata lineare. Tutti i trasduttori sono soggetti ad una dissipazione d energia durante il loro funzionamento, pertanto il valore dell uscita può risultare diverso se viene raggiunto partendo da valori inferiori o superiori ad esso. Questo fenomeno prende il nome di isteresi. La qualità dei dispositivi aumenta al diminuire dell incidenza del fenomeno di isteresi. Viene definito campo di funzionamento o campo di misura o portata l intervallo di valori della grandezza di ingresso che il trasduttore può accettare mantenendo le caratteristiche di precisione possedute e senza che venga danneggiato. Cioè l intervallo tra il valore minimo e massimo accettabile. Se il valore dell uscita in corrispondenza di un ingresso nullo è diverso da zero tale valore prende il nome di offset. n trasduttore si definisce lineare quando la relazione tra ingresso ed uscita è la retta: = K I. Si definisce errore di linearità il rapporto (in percentuale) tra il massimo scostamento dalla retta ideale ed il valore del fondo scala: caratteristica max ideale D L = 100. D MAX campo di misura I caratt. reale caratter. ideale I Con il termine risoluzione si indica la più piccola variazione della grandezza misurata che può essere rilevata all uscita. Si esprime come il rapporto (in percentuale) tra la quantità di cui devono variare due ingressi successivi affinché l uscita cambi, rapportata al valore massimo dell ingresso. Nella realtà l uscita dei trasduttori assume un andamento come quello riportato del diagramma sotto. Anche nel caso in cui la sua caratteristica è di tipo lineare, l uscita non assume il valore successivo fintantoché l ingresso non raggiunge il valore I+ I. R% = I max 100 La qualità del trasduttore aumenta, quindi, con il diminuire della sua risoluzione. I max Commission. 3

4 La sensibilità del trasduttore si definisce come il rapporto tra la variazione della grandezza d uscita e la variazione della grandezza di ingresso: D S =. Se la caratteristica di trasferimento è lineare la sensibilità assume un valore costante per tutto il campo di misura, altrimenti il suo valore cambierà per ogni punto e sarà equivalente alla tangente alla curva che rappresenta la caratteristica stessa. Quando la sensibilità ha un valore elevato si ha un campo di funzionamento minore e una migliore qualità del trasduttore stesso. Per aumentarla è possibile effettuare una amplificazione del segnale d uscita. Con il termine precisione si indica il rapporto (percentuale) tra il massimo errore assoluto ed il massimo valore misurabile. La precisione è un indice che permette di evidenziare che capacità ha il dispositivo di fornire valori di uscita il più vicino possibile al valore reale da misurare. La precisione si esprime matematicamente come: E P= Amax Viene inoltre definito come tempo di risposta il tempo necessario affinché l uscita raggiunga, senza oscillazioni, il 90 98% del valore a regime. Ovviamente al diminuire del tempo di risposta aumenta la qualità del dispositivo. Prima di effettuare la scelta di un dispositivo, oltre ai parametri visti fino ad ora, occorrerà tenere conto anche di altri parametri quali: - campo dei valori di uscita: valori massimi raggiunti dall uscita del dispositivo - risposta in frequenza: intervallo dei valori della frequenza del segnale di ingresso nel quale la risposta del dispositivo è uniforme - impedenza in uscita: valore necessario per dimensionare il circuito elettrico collegato al dispositivo - insensibilità ai disturbi: massimo valore dei disturbi per non alterare il valore di uscita - stabilità termica: indice dell influenza della temperatura sui valori di uscita - condizioni di impiego: indicazioni relative alle caratteristiche ambientali necessarie per il corretto funzionamento (temperatura, umidità, ) - affidabilità: capacità del dispositivo di conservare invariati nel tempo i parametri di funzionamento - vita del trasduttore: indice della durata nel tempo del dispositivo senza alterare i suoi parametri (in ore di funzionamento o numero di commutazioni) - sovraccarico: massimo valore in ingresso sopportato occasionalmente dal dispositivo senza comprometterne il funzionamento futuro. 100 n trasduttore ideale dovrebbe avere le seguenti caratteristiche: caratteristica di trasferimento lineare portata ampia alta sensibilità bassa risoluzione tempo di risposta nullo max Commission. 4

5 assenza di isteresi Nella realtà si cercherà di scegliere il trasduttore che più si avvicina a quello ideale cercando di avere un accettabile rapporto costo/prestazioni. Commission. 5

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