SENSORI e TRASDUTTORI. Corso di Sistemi Automatici

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1 SENSORI e TRASDUTTORI

2 Sensore Si definisce sensore un elemento sensibile in grado di rilevare le variazioni di una grandezza fisica ( temperatura, umidità, pressione, posizione, luminosità, velocità di rotazione) e di fornire in uscita un altra grandezza fisica (resistenza,capacità) senza l utilizzo di fonti di energia esterna. Il mercurio, utilizzato nei termometri, è un sensore perché a una variazione della temperatura, corrisponde una variazione proporzionale di volume.

3 Un potenziometro a slitta è un esempio di sensore, poiché a spostamenti lineari del cursore corrispondono variazioni proporzionali della resistenza. Un termistore NTC è un sensore di temperatura. Il valore della resistenza è funzione della temperatura. Ad ogni aumento della temperatura corrisponde una diminuzione del valore della resistenza.

4 Trasduttore Un controllo di processo è costituito da circuiti elettrici che non possono utilizzare direttamente la grandezza fisica presente all uscita del sensore. In molte applicazioni è necessario trasformare la grandezza fisica in una grandezza elettrica, tensione o corrente, direttamente manipolabile dal controllo di processo. Il dispositivo che opera la conversione fa uso di energia elettrica esterna.

5 Parametri dei trasduttori Un trasduttore di buona qualità deve possedere molteplici requisiti, non ultimo quello del costo. Le principali caratteristiche fornite dalle case costruttrici sono : Caratteristica di trasferimento Linearità Sensibilità Range di funzionamento Tempo di risposta Isteresi Risoluzione Avanti

6 Caratteristica di trasferimento Si definisce caratteristica di trasferimento di un trasduttore la relazione che esiste tra la grandezza d uscita e quella di ingresso. Se la caratteristica è lineare, allora la variazione della grandezza di uscita è direttamente proporzionale a quella di ingresso. In genere però la caratteristica non è lineare. Indietro

7 Linearità La linearità è il parametro del trasduttore che evidenzia l errore (deviazione) tra caratteristica ideale teorica e la reale curva di trasferimento del trasduttore. La deviazione è calcolata rispetto alla retta di equazione y=mx+k che meglio approssima la caratteristica. In realtà, non esiste uno standard definito di tale parametro ; i costruttori forniscono definizioni di linearità diverse. Indietro

8 Sensibilità Si definisce sensibilità di un trasduttore il rapporto tra la variazione della grandezza d uscita e la variazione di quella di ingresso che la provoca. Si ha : U S= I Un buon trasduttore deve avere una grande sensibilità, ossia ad una piccola variazione della grandezza d ingresso deve corrispondere una grande variazione di quella di uscita. Se la caratteristica ha un coefficiente angolare molto elevato il trasduttore ha una buona sensibilità perché

9 Sensibilità a parità di variazione della grandezza d ingresso, la variazione di quella di uscita e massima. La caratteristica 2 ha sensibilità maggiore rispetto al trasduttore avente come caratteristica la curva 1 perché, a parità di variazione dell ingresso I, risulta U2 > U2. Indietro

10 Range di funzionamento Si definisce range di funzionamento la differenza tra il valore massimo e quello minimo che può assumere la grandezza d ingresso. Questa caratteristica rappresenta il campo di funzionamento ottimale entro il quale sono garantite le prestazioni del trasduttore. Indietro

11 Tempo di risposta Si definisce tempo di risposta il tempo impiegato dal trasduttore a raggiungere un valore di regime. Il tempo di risposta è un parametro dinamico, dovuto all inerzia del dispositivo. Nella pratica è il tempo necessario perché l uscita raggiunga il 90% 98% del valore finale. Indietro

12 Isteresi Molti trasduttori hanno caratteristica non univoca. Essa è diversa a seconda che la grandezza d ingresso vari da un valore minimo a uno massimo o viceversa. Un trasduttore ideale non presenta isteresi e la sua caratteristica è univoca. Indietro

13 Risoluzione La risoluzione è la minima variazione della grandezza d ingresso in grado di provocare una variazione percettibile su quella di uscita. Se è riferita alla sola grandezza d uscita, esprime il rapporto, in percentuale tra la minima variazione della grandezza d uscita e il valore di fondo scala. GRANDEZZA uscita (min) Risoluzione% = 100 GRANDEZZA uscita (di F.S.) Un buon trasduttore presenta una risoluzione molto bassa. Indietro

14 Criteri pratici di scelta dei trasduttori Un trasduttore ideale dovrebbe avere le seguenti specifiche : caratteristica di trasferimento lineare range di funzionamento ampio alta sensibilità bassa risoluzione tempo di risposta nullo assenza di isteresi In realtà un generico trasduttore presenta solo qualcuna di queste specifiche. E compito del progettista scegliere il dispositivo che meglio si adatta all apparato da realizzare. In ogni caso la scelta non può prescindere dal costo e dalla reperibilità

15 Criteri pratici di scelta dei trasduttori Spesso la scelta di un trasduttore risulta condizionata da un compromesso tra le varie specifiche. In genere un buon trasduttore deve avere le seguenti specifiche: grande range della grandezza da controllare; perfetta linearità per ottenere la massima precisione; piccolo tempo di risposta; bassa resistenza di uscita.

16 Classificazione dei trasduttori Esistono classificazioni diverse dei trasduttori. Una prima classificazione,basata sulla presenza o meno di una fonte di energia esterna necessaria per il loro funzionamento li distingue in : trasduttori passivi trasduttori attivi Una classificazione basata sul tipo di segnale d uscita porta a distinguere i trasduttori in : analogici digitali

17 Classificazione dei trasduttori La classificazione più comune e forse più significativa dei trasduttori è fatta in base alla grandezza fisica che esso deve rilevare. Si hanno : trasduttori di temperatura trasduttori di umidità trasduttori di gas trasduttori di luminosità trasduttori di posizione trasduttori di forza trasduttori di velocità Avanti

18 Trasduttori passivi Sono quei trasduttori ai quali bisogna fornire energia esterna perché la grandezza fisica di uscita possa essere trasformata in grandezza elettrica. Si pensi al potenziometro che fornisce in uscita valori di resistenza diversi a seconda della posizione in cui si trova il cursore. Per la conversione delle variazioni di resistenza in variazioni di tensione o corrente è necessario fornire energia al potenziometro. Indietro

19 Trasduttori attivi Forniscono in uscita una grandezza direttamente utilizzabile senza consumo di energia esterna. In taluni casi il trasduttore fornisce in uscita una grandezza elettrica che può essere manipolata dai circuiti di elaborazione. E il caso delle celle fotovoltaiche e delle termocoppie. Indietro

20 Analogici Presentano una caratteristica di trasferimento continua ; la grandezza d uscita e quella di ingresso variano con continuità assumendo tutti i valori appartenenti ai numeri reali. Indietro

21 Digitali Presentano una caratteristica di trasferimento che può assumere solo due distinti valori, alto o basso ; al valore alto si associa il livello logico 1, mentre a quello basso si associa il livello logico 0. Esempio di trasduttore di tipo ON/OFF è la lamina bimetallica. Fornisce in uscita livello logico alto o basso a seconda se la temperatura supera o meno la temperatura di riferimento.

22 Digitali Alcuni trasduttori digitali forniscono in uscita un segnale formato da un treno di impulsi. Sono costituiti da un emettitore e da un ricevitore di radiazione infrarossa disposti ortogonalmente rispetto a un disco forato che ruota. La frequenza del treno di impulsi dipende dalla velocità di rotazione del disco e dal numero di fori. Indietro

23 Trasduttori di temperatura AD590 a semiconduttore (Analog Devices) E realizzato con materiale semiconduttore e produce in uscita una corrente proporzionale alla temperatura (in gradi Kelvin). Il principio di funzionamento si basa sul fatto che la tensione prelevata ai capi di una giunzione p-n polarizzata direttamente varia di circa 2,3mV/K. E un dispositivo a due terminali e per tensioni di alimentazione nel range 4 30V genera una corrente di 1µ A/K

24 Trasduttori di temperatura AD590 a semiconduttore (Analog Devices) Nelle applicazioni pratiche è necessario convertire il segnale di uscita dell AD590 in tensione. Numerosi sono i circuiti per la conversione I/V :

25 Trasduttori di temperatura AD590 a semiconduttore (Analog Devices) Molto spesso è necessario adattare il segnale alle specifiche dei convertitori A/D. I circuiti di condizionamento che seguono permettono di fissare il valore dell offset e del fattore di scala in relazione alle caratteristiche del convertitore.

26 Trasduttori di temperatura LM35 (National) a semiconduttore E un trasduttore di temperatura che fornisce una tensione di uscita proporzionale alla temperatura espressa in gradi Celsius. Per le sue caratteristiche il dispositivo può essere utilizzato direttamente senza componenti aggiuntivi quando il range di funzionamento non prevede temperature minori di 0 C Range di temperatura 55 C 125 C Uscita lineare 10,0 mv/ C

27 Trasduttori di temperatura LM35 (National) a semiconduttore In figura un esempio di circuito di condizionamento. Consente di ottenere una tensione Vo compresa nel range 1,25 5V quando la temperatura varia tra 10 C e 40 C. Indietro

28 Trasduttori di umidità I sensori di umidità, sensibili alla quantità di acqua nell ambiente, rilevano l umidità relativa definita come il rapporto tra l umidità assoluta (quantità di vapore acqueo contenuta in un metro cubo di aria) e l umidità di saturazione (quantità di vapore acqueo massimo contenuto in un metro cubo di aria) U% = Uass 100 Usat In commercio si trovano sensori a : variazione di capacità variazione di resistenza variazione termica

29 Trasduttori di umidità a variazione di capacità Il dispositivo è realizzato con un materiale dielettrico, non sensibile alle sostanze inquinati ; ha una costante dielettrica relativa εr ed una capacità Cs che dipendono dall umidità relativa. La capacità del sensore è : Cs = Co + C Dove Co è una capacità fissa riferita all aria secca e C è la variazione di capacità dovuta alla variazione di umidità relativa

30 Trasduttori di umidità a variazione di capacità Il sensore può essere inserito in un multivibratore astabile per generare un onda quadra la cui frequenza, funzione dell umidità relativa è : 1 f = 0,7 ( Ra + 2 Rb ) C s

31 Trasduttori di umidità a variazione di capacità Il circuito di condizionamento è composto da un convertitore frequenza/tensione (LM331) necessario per la conversione della frequenza del segnale prodotto dall oscillatore in una continua. Volendo adattare il segnale di uscita del convertitore f/v ad un convertitore A/D con range 0 5V, si può utilizzare il circuito descritto nel seguente schema a blocchi

32 Trasduttori di umidità a variazione di capacità Considerando che la tensione in uscita dal convertitore f/v è : Vout RL = f in 2,09 ( Rt Ct ) Rs tarando opportunamente la Rs, la tensione d uscita aumenta di 1V per ogni khz della frequenza del segnale di ingresso. L amplificatore differenziale annulla l offset, realizza il fattore di scala ed inverte la pendenza della caratteristica poiché questa presenta una caratteristica con pendenza negativa.

33 Trasduttori di umidità a variazione di capacità Indietro

34 Trasduttori di GAS In generale un trasduttore di gas a semiconduttore è costituito da un materiale sensibile (SnO2) ossido di stagno, opportunamente drogato e da un riscaldatore. Il principio di funzionamento è basato sull aumento della conducibilità elettrica quando la superficie porosa del materiale è a contatto di una miscela di aria e di gas. Il materiale drogante, rame per l ossido di carbonio, platino per il metano, e la temperatura di riscaldamento del materiale sensibile rendono il trasduttore selettivo al rilievo di un gas specifico.

35 Trasduttori di GAS Il trasduttore a semiconduttore è formato da una cella metallica, da un substrato ceramico, sul quale è depositato il semiconduttore drogato ancorato a due elettrodi, e da un filamento in grado di riscaldare l elemento sensibile fino a 500 C.

36 Trasduttori di GAS Per convertire la variazione di resistenza in variazione di tensione, si può utilizzare un partitore di tensione resistivo, nel quale la resistenza del sensore RS è posta in serie alla resistenza di utilizzazione RL o un ponte di Wheatstone nel quale la resistenza del trasduttore RS è disposta su un ramo del ponte

37 TGS813 Trasduttori di GAS (Figaro) E un trasduttore particolarmente adatto per il rilievo di gas combustibili quali il metano, il butano, il propano e l idrogeno. Non è molto sensibile ai gas tossici come l ossido di carbonio. In figura è riportato il valore normalizzato della resistenza RS del trasduttore in funzione della concentrazione di alcuni gas espressa in ppm. R0 è la resistenza del sensore per una concentrazione di gas metano di 1000 ppm. (5 15KΩ) RS è la resistenza del sensore alle differenti concentrazioni di gas.

38 TGS813 (Figaro) I fattori di conversione sono : mg 6 µg 1 ppm = 1 = 10 3 = 0,0001% litro m A titolo informativo in tabella sono riportate le concentrazioni minime dei vari tipi di gas che causano l esplosione.

39 TGS813 (Figaro) Lo schema che segue è una semplice applicazione del trasduttore come rilevatore di gas metano. Il trimmer P1 e P2 permettono di fissare la tensione in uscita in funzione della massima concentrazione di gas ritenuta non pericolosa.

40 TGS813 (Figaro) Il partitore R3,R4,R5 genera la tensione Vref necessaria per annullare l offset In figura è proposto lo schema di un circuito di condizionamento in grado di fornire una tensione di uscita 0 5V in presenza di concentrazioni di gas metano comprese nel range ppm U1 (conf. non inv.)amplifica il debole segnale VL U2 (conf. differenziale) annulla l offset e realizza il fattore di scala desiderato.

41 TGS812 (Figaro) Indietro Il trasduttore TGS812 è simile e pin compatibile con il TGS813. E adatto al rilievo del monossido di carbonio (CO) (gas tossico), dell isobutano (gas combustibile) ed ai vapori organici (etanolo).

42 Sensore di posizione lineare (potenziometro) E costituito da una resistenza racchiusa in un contenitore metallico, nel quale scorre un asta metallica. All esterno del contenitore sono riportati tre reofori detti inizio, centro e fine Valore resistivo nominale Rs =2kΩ Corsa dell asta 0 50mm Corrente max 10mA La resistenza del sensore è misurata tra il terminale inizio e centro e varia da 0Ω, quando l asta e nella posizione L=0, ad un valore massimo Rmax quando l asta è nella posizione L=Lmax

43 Sensore di posizione lineare (potenziometro) Per un generico sensore la resistenza Rs, vale la relazione : Rs = R + R dove Rs è la resistenza complessiva del potenziometro misurata tra i terminali inizio e centro, R è il valore fisso e R è la variazione di resistenza dovuta allo spostamento L dell asta.

44 Sensore di posizione lineare (potenziometro) Nello schema che segue è presentato il circuito di condizionamento. E in grado di fornire una tensione nel range 0 5V quando l asta del cursore subisce uno spostamento di 0 50mm.

45 Sensore di posizione angolare (potenziometro rotativo) E utilizzato per misurare uno spostamento angolare. Il dispositivo è costituito da un potenziometro a spostamento angolare la cui parte mobile, ruota in modo da descrivere un angolo. Valore resistivo nominale Rs =5kΩ Rotazione meccanica 120 Potenza max 1W [RS ]

46 Sensore di posizione angolare (potenziometro rotativo) Esempio di conversione spostamento angolare/tensione. La resistenza Rα misurata tra inizio e centro dipende dallo spostamento angolare e la resistenza di utilizzazione Rc è separata da quella del dispositivo con l AO al fine di non caricare il sensore.

47 Sensore di posizione angolare (potenziometro rotativo) Nello schema che segue è presentato il circuito di condizionamento. E in grado di fornire una tensione nel range 0 5V quando lo spostamento del cursore varia tra 20 e 100. Indietro

48 Sistema di acquisizione E costituito da un trasduttore, da un circuito di condizionamento e dal convertitore analogico digitale A/D. Il circuito di condizionamento adatta il segnale di uscita del trasduttore alle caratteristiche del convertitore e svolge le seguenti funzioni : Converte la grandezza fisica prodotta dal trasduttore in un segnale in tensione ( conversione temperatura/tensione, pressione/tensione )

49 Sistema di acquisizione converte la pendenza della caratteristica quando la grandezza di uscita del trasduttore descresce all aumentare della grandezza rilevata ; fornisce un segnale di uscita direttamente proporzionale a quello di ingresso quando la caratteristica del trasduttore non è lineare (linearizzazione della caratteristica) ; fornisce una tensione uguale a zero quando il segnale di uscita del trasduttore ha ampiezza minima (regolazione dell offset) ; amplifica il segnale di uscita del trasduttore in modo che il suo valore massimo sia compatibile con il convertitore A/D ( regolazione del fattore di scala) ;

50 Sistema di acquisizione limita la larghezza di banda del segnale di uscita del trasduttore ; opera una separazione galvanica tra il circuito del trasduttore e quello di acquisizione. Indietro

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