SENSORI E TRASDUTTORI

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1 SENSORI E TRASDUTTORI Ing.Francesco M. Raimondi Lezioni del corso di Dipartimento di Ingegneria dell Automazione e dei Sistemi 1 LA STRUMENTAZIONE DI MISURA OCCORRENTE PER UN SISTEMA AUTOMATICO, CON RETROAZIONE DELLE VARIABILI DI PROCESSO (PV), VIENE SCELTA TRA UNA VASTA TIPOLOGIA DI SENSORI E TRASDUTTORI STANDARDIZZATI DISPONIBILI OGGI SUL MERCATO, CON AMPIA SCELTA DI MARCHE DI COSTRUTTORI DIVERSI. 2 Un Trasduttore e un dispositivo (device) in grado di convertire una grandezza fisica, (come la temperatura, PH, salinità, peso, movimento, presenza, assenza, apertura, chiusura, prossimità, vapore, allagamento, corrente elettrica, infrarosso, ultravioletto, gas, fiamma, contatto, l illuminazione, lo spostamento, l umidità, pressione, forza, velocità,) in un segnale (come una tensione o una corrente elettrica) che può essere utilizzato, da qualunque PLC, per ottenere una misura o la lettura della grandezza in questione e poter applicare la legge di controllo implementata dal progettista del Sistema Controllore. 3

2 La grandezza fisica misurata è quella in uscita dal trasduttore e da tale valore si può risalire alla misura dalla grandezza in ingresso al trasduttore attraverso l elemento sensibile, del trasduttore stesso, alla grandezza fisica di interesse. In effetti la terminologia più comunemente utilizzata come sinonimo di trasduttore è quella di sensore che si riferisce ad un dispositivo che racchiude al suo interno solo l elemento sensibile. 4 Se utilizzassimo un dispositivo realizzato solo dall elemento sensibile non sarebbe in genere utilizzabile per un sistema di controllo. Si aggiungono ulteriori circuiti che realizzano la Compensazione della caratteristica di funzionamento del sensore e il condizionamento del segnale di uscita. 5 In generale l operazione di compensazione è la procedura che consente di controbilanciare o appunto compensare, la eventuali sorgenti di disturbo o di errore conosciute, quali ad esempio sbalzi di temperature o esposizione a fonti elettromagnetiche. Le fonti sconosciute che causano errori sulle misure vengono trattati da dispositivi esterni agli elementi di trasduzione. Nelle foto si vedono due trasduttori meteo climatici compensati in temperatura; in particolare questi sensori attuano la compensazione riscaldando o raffreddando l equipaggiamento di trasduzione, proteggendolo dagli sbalzi di temperatura eccessivi, trattandosi di trasduttori che durante il normale funzionamento devono essere esposti agli agenti atmosferici, mantenendolo ad una corretta temperatura di funzionamento. 6

3 OPERAZIONI PER IL CONDIZIONAMENTO DEL SEGNALE Le operazioni di Condizionamento del Segnale sono quelle che intervengono a modificare le caratteristiche del segnale stesso come: L AMPLIFICAZIONE, che consente di modificare il livello del segnale occorrente per il trattamento delle informazioni; IL FILTRAGGIO, che consente di eliminare selettivamente alcune componenti armoniche o determinati disturbi di cui si è a conoscenza; LA LINEARIZZAZIONE, che consente di rendere lineare la caratteristica nel caso in cui non si presenti con tale richiesta. 7 UN ESEMPIO DI TERMOMETRO A MERCURIO. In un termometro l elemento sensore è il mercurio nel quale esso associa in maniera sufficientemente lineare a ciascuna temperatura una dilatazione. La presenza del capillare serva ad amplificare la dilatazione prodotta dall elemento sensibile che viene rilevata da una linea graduata in gradi Celsius o Fahrenheit per la lettura della temperatura rilevata. L insieme costituito dall elemento sensibile, dall apparato di amplificazione, e da quello di lettura costituisce un trasduttore di temperatura chiamato comunemente termometro 8 I Trasduttori in commercio possono fornire in uscita segnali di diverso tipo come di tipo meccanico (lo spostamento di un ago) o pneumatico (la pressione di un fluido). Nella maggioranza dei sistemi di controllo si impiegano trasduttori che forniscono in uscita un segnale di tipo elettrico per il fatto che sono più facilmente utilizzabili nei sistemi di controllo a PLC. 9

4 TRASMETTITORE. Un dispositivo spesso molto utilizzato nei sistemi di controllo industriale è il cosiddetto trasmettitore. Esso è un trasduttore che ha un segnale di uscito in corrente, tipicamente variabile in un campo compreso tra un valore minimo di 4 ma e un valore massimo di 20 ma. IL vantaggio che presenta il segnale in corrente è quello di essere meno sensibile ai disturbi rispetto ed un segnale in tensione e quindi risulta più efficace in fase di trasmissione; da ciò il nome di trasmettitore dato al dispositivo. 10 Nel caso si abbia un trasduttore con un segnale di uscita in tensione e lo si debba trasmettere a distanza, per evitare il degrado del segnale è possibile convertirlo in un segnale in tensione. In alternativa a problemi creati appositamente, dall impiego di soluzioni complesse, si preferisce utilizzare un dispositivo di controllo nella cosiddetta configurazione a bordo macchina, utilizzando vantaggiosamente trasduttori standard con uscite in tensione. 11 CLASSIFICAZIONE DEI TRASDUTTORI (segnale di uscita). In funzione del tipo di segnale fornito in uscita, i trasduttori si classificano in: ANALOGICI, se forniscono in uscita un segnale che assume nel tempo tutti i valori nel campo di funzionamento. DIGITALI, se forniscono in uscita un segnale che può assumere due soli valori, 0 e 1. 12

5 CLASSIFICAZIONE DEI TRASDUTTORI (modo di alimentazione) In funzione del modo con il quale viene generata la potenza del segnale di uscita, i Trasduttori possono essere classificati in AUTOGENEREANTI, quelli a cui non è necessario fornire dall esterno alcuna alimentazione o eccitazione in quanto l energia presente nel segnale di uscita è ricavata direttamente dal segnale presente in ingresso. MODULANTI, quelli che devono essere alimentati o eccitati con una sorgente dello stesso tipo della grandezza di uscita. In questo tipo di dispositivi la grandezza fisica d ingresso modula il segnale di eccitazione o di alimentazione. 13 TRADUTTORI A CONVERSIONE DIRETTA E INDIRETTA Non tutti i trasduttori realizzano una conversione diretta della grandezza di ingresso in un segnale elettrico effettuando le eventuali azioni amplificazione, filtraggio e linearizzazione. Alcuni trasduttori per impieghi specifici, realizzano una doppia conversione. Alcuni trasduttori di portata utilizzano l effetto termico per la misure finale della portata. In questi dispositivi si realizza una doppia conversione dove nella prima la portata è convertita in una temperatura e successivamente la temperatura è convertita in un segnale elettrico. 14 PARAMETRI E CARATTERISTICHE DEI DISPOSITIVI DI MISURA: CARATTERISTICA DI FUNZIONAMENTO; CURVA DI CALIBRAZIONE; CARATTERISTICHE STATICHE; CAMPO DI FUNZIONAMENTO; VALORE DI SOGLIA E RISOLUZIONE; SENSIBILITA ; OFFSET; ERRORE E ACCURATEZZA; PRECISIONE; ISTERESI; ERRORE DI NON LINEARITA ; STABILITA ; CAMPO OPERATIVO DI TEMPERATURA; 15

6 CARATTERISTICA DI FUNZIONAMENTO, La Caratteristica di Funzionamento ovvero la rappresentazione grafica della caratteristica ingresso uscita di un trasduttore che nel caso di dispositivi x lineari viene raffigurata come una retta e dunque in tali in = 1 y out condizioni l ingresso e l uscita sono legati da una K relazione di proporzionalità: In tale situazione è sufficiente conoscere il fattore di proporzionalità K del dispositivo per determinare il valore della grandezza d ingresso, una volta misurato il valore dell uscita: y = K out x in Nel caso del termometro la caratteristica di trasferimento può essere considerata lineare come illustrato nella figura accanto: 16 CURVA DI CALIBRAZIONE, Nella realtà, i trasduttori non sono lineari è e la rappresentazione grafica della relazione ingresso uscita è una curva, come nella figura. In tal caso per risalire dalla grandezza di uscita a quella di ingresso è necessario ricorrere a una procedura grafica: segnato il valore di uscita OUT1 sull asse si determina il corrispondente punto sulla curva e quindi il valore della grandezza di ingresso IN1 corrispondente. La caratteristica di funzionamento è anche detta Curva di Calibrazione. 17 CICLO DI CALIBRAZIONE, La Calibrazione è quella procedura nel quale si fa corrispondere al valore misurato del trasduttore il valore noto della grandezza d ingresso. Il Ciclo di Calibrazione è la procedura di calibrazione di un trasduttore realizzata per tutti i valori di uno specificato campo della grandezza di ingresso, sia per valori crescenti sia per valori decrescenti. 18

7 CURVA DI CALIBRAZIONE, La Curva di Calibrazione è ottenuta ripetendo più volte un ciclo di calibrazione (almeno tre volte) e riportando su di un grafico i valori medi misurati, in funzione dei valori somministrati alla grandezza di ingresso. La Curva di Calibrazione di un trasduttore è ottenuta realizzando un cosiddetto ciclo di calibrazione nel quale vengono forniti in ingresso al dispositivo valori noti della grandezza da misurare, variandoli da 0 al valore di fondo scala (FS) per ritornare poi, per valori decrescenti, a CICLO DI CALIBRAZIONE, Nel Ciclo di Calibrazione viene ricavata una tabella di corrispondenza tra i valori noti in ingresso e quelli corrispondenti misurati in uscita, che può quindi essere rappresentata graficamente e fornire la curva di calibrazione del trasduttore. 20 CARATTERISTICHE STATICHE, LE CARATTERISTICHE DEL TRASDUTTORE RILEVATE IN CONDIZIONI DI REGIME, QUANDO LA GRANDEZZA DI USCITA HA RAGGIUNTO IL VALORE FINALE PREVISTO PER NON VARIARE ULTERIORMENTE. CAMPO DI FUNZIONAMENTO. Il campo dei valori della grandezza di ingresso al trasduttore per i quali il dispositivo funziona correttamente è detto CAMPO DI FUNZIONAMENTO o RANGE o SPAN del dispositivo. Specificato in genere fornendo il valore massimo o Valore di Fondo Scala (FS), e il valore minimo della grandezza di ingresso. 21

8 VALORE DI SOVRACCARICO. Nel caso in cui il valore del segnale di ingresso di un trasduttore sia maggiore del FS del dispositivo si possono verificare due situazioni: Il Valore di Sovraccarico non è tale da danneggiare in maniera permanente il trasduttore e quando il segnale di ingresso ritorna all interno dello SPAN il dispositivo ritorna a operare correttamente. Si tiene conto che la condizione di sovraccarico può aver determinato condizioni di saturazione che occorre rimuovere prima di ritornare a operare correttamente; il tempo necessario per ritornare alle condizioni di operatività dopo una condizione di sovraccarico viene detto Tempo di Recupero del Trasduttore. Se il valore di sovraccarico è tale da danneggiare il trasduttore in maniera permanente, il dispositivo deve essere sostituito e in tale situazione si tiene conto del parametro indicato come Tempo Limite di Sovraccarico e viene fornito come valore percentuale rispetto al FS. 22 VALORE DI SOGLIA Il Valore di Soglia in Ingresso o Banda Morta, definito come il valore minimo di cui deve variare la grandezza in ingresso perché l uscita assuma valori diversi. RISOLUZIONE Il Potere Risolutivo o Risoluzione, definito come il più piccolo valore di cui può variare la grandezza di uscita. La Risoluzione di un dispositivo è generalmente espressa come percentuale della variazione minima della grandezza di uscita, riferita al valore di FSO. Ymin RISOLUZIONE = 100 FSO 23 SENSIBILITA La Sensibilità di un Trasduttore o di un sensore è definita come la variazione della grandezza di uscita corrispondente a una variazione unitaria dell ingresso. Dunque tanto maggiore risulta la sensibilità, tanto maggiore sarà il livello di segnale di uscita in corrispondenza di un valore della grandezza in ingresso. Nel caso di un trasduttore con caratteristica in-out lineare, la pendenza della retta costituisce il valore della sensibilità del trasduttore e si determina con: Y S = U Se la caratteristica non è lineare il valore della sensibilità in un punto è pari alla pendenza della tangente alla curva nel punto e si determina con: dy S = du 24

9 OFFSET L OffSet viene impostato nei casi in cui il trasduttore, alimentato correttamente e con segnale in ingresso pari a 0, presenta un segnale in uscita non corrispondente con il valore 0 dell ingresso. L OffSet si imposta anche quando un valore di tensione in uscita deve corrispondere a determinati valori della grandezza di ingresso. Nel caso in cui sia presente invecchiamento del dispositivo, il trasduttore potrà subire variazioni ovvero Drift dei parametri OffSet e Sensibilita. Si deve procedere a ritaratura del trasduttore o a immediata sostituzione. 25 ERRORE E ACCURATEZZA I sensori o trasduttori introducono un errore nella misura, dato dalla differenza algebrica tra il valore misurato e il valore vero della grandezza. Il Campo Di Variazione dell Errore di un sensore è il campo di valori che può assumere l errore in relazione a un valore di riferimento; Tale campo è in genere espresso come l errore massimo relativo al valore di fondo scala FSO (Fondo Scala dell Output). ε max EB = ± FSO 26 ACCURATEZZA L Accuratezza di un sensore è il rapporto tra l errore massimo e il valore di fondo scala FSO riportato in percentuale. Tale parametro per gli strumenti di misura è anche detto Classe di Precisione. ε max ACCURATEZZA = 100 FSO 27

10 CLASSE DI PRECISIONE. Tale Parametro per gli strumenti di misura è anche detto classe di precisione. Con precisione si intende, in genere, la capacità dello strumento di ripetere le misure in tempi diversi fornendo gli stessi risultati; il termine è quindi riferito più alla ripetitività della misura che all errore assoluto commesso. Con accuratezza si indica, invece, lo scostamento tra valore vero e valore misurato determinato dagli errori sistematici dello strumento. Classe di Precisione di un Trasduttore. La classe di precisione di un trasduttore è definita come il rapporto tra il valore massimo dell errore assoluto che può essere commesso dallo strumento e il valore di fondo scala, espresso in percentuale. ε max CPT = 100 FSO 28 ISTERESI, La curva di calibrazione di un trasduttore è ottenuta realizzando un cosiddetto ciclo di calibrazione nel quale vengono forniti in ingresso al dispositivo valori noti della grandezza da misurare, variandoli da 0 al valore di fondo scala (FS) per ritornare poi, per valori decrescenti, a 0. Si verifica che per un ingresso pari al 50% dal FS si ha un valore di uscita pari al 41% del FSO (Full Scale Output) se il valore di ingresso è raggiunto per valori crescenti, un valore di uscita pari al 59% del FSO se il valore di ingresso è raggiunto per valori decrescenti. 29 ISTERESI, La curva di calibrazione in figura presenta un isteresi molto accentuata. Nella quasi totalità dei trasduttori e presente il fenomeno dell Isteresi ma meno accentuata rispetto al caso in figura e in molti casi tale da essere trascurata. Per ciascun valore dell isteresi la differenza tra i due valori dell uscita costituisce l errore introdotto dall Isteresi. Il valore massimo di tali scostamenti, riferito al FSO ed espresso in percentuale, viene detto errare di isteresi del trasduttore: ε H ε H % = 100 FSO 30

11 ERRORE DI NON LINEARITA, ε NL ε NL % = 100 FSO 31 STABILITA, La caratteristica presentata da un trasduttore di mantenere invariati parametri e prestazioni nel tempo è la stabilità, intesa come la possibilità di riprodurre o di ripetere nel tempo gli stessi valori realizzati in fase di calibrazione, operando nelle medesime condizioni operative. 32 CAMPO OPERATIVO DI TEMPERATURA, Alcuni trasduttori sono particolarmente sensibili alla temperatura. Per tali dispositivi è necessario fornire il Campo di Operatività di Temperatura OTR ovvero il campo delle temperature in cui il trasduttore opera correttamente. Le variazioni di temperatura comportano una variazione del funzionamento del sensore stesso e quindi un errore. Il valore massimo dell errore nel Range di ingresso, quando la temperatura varia tra i valori estremi dell OTR, viene definito errore dovuto alla temperatura. 33

12 Posizione Rettilinea: Potenziometro Rettilineo; Riga Ottica; Risolutore Lineare; Trasduttore ad Ultrasuoni; Trasduttore magnetostrittivo senza contatto; Trasformatore Differenziale Variabile Lineare LVDT; 34 Posizione Angolare: Potenziometro Rotativo; Trasduttore Synchro; Trasduttore Resolver; Trasduttore a Capacità; Encoder Ottico Assoluto; Encoder Ottico Incrementale; 35 Prossimità e Contatto: Sensore a Effetto Hall; Sensore a Induzione; Sensore Pneumatico; Sensore a Ultrasuoni; Sensore Ottico; Sensore Capacitivo; Sensore Meccanico; 36

13 Vibrazione: Accelerometri; Sensori Piezoelettrici Sensori Acustici; 37 Peso e Deformazione: Sensori Estensimetrici; 38 Velocità: Dinamo Tachimetrica; Ruota con sensore Magnetico; Encoder Ottico Incrementale; 39

14 Livello: Trasduttore a Conduttività; Trasduttore a Pressione Idrostatica; Trasduttore Capacitivo; Trasduttore a Tasteggio Elettromeccanico; Trasduttore a Ultrasuoni; Trasduttore a Lamelle Vibranti; Trasduttore a Microonde; Trasduttore Laser; 40 Portata: Strozzamenti a Pressione Differenziale; Trasduttore a Magneto Induttivo; Trasduttore a Vortice; Trasduttore a Volumetrico; Trasduttore a Ultrasuoni; Trasduttore a Microonde (per solidi); Trasduttore a Resistenza (per Gas); 41 Pressione: Trasduttore Capacitivo; Trasduttore Induttivo; Trasduttore Estensimetrico; 42

15 Temperatura: Termistore NTC; Termistore PTC; Rivelatore RDT; Termoresistenza; Termocoppia; Trasduttore Raggi Infrarossi; 43 Umidità: Sensore a Cella Elettrolitica; Sensore Capacitivo; 44 Acidità / Alcalinità (PH): Elettrodo a Vetro; 45

16 Singolo Colore: Colorimetri; 46 Immagini: Sensore CCD; Sensore CMOS; 47