TRASDUTTORI DI POSIZIONE

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Aloisio Mura
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- la variazione di una resistenza elettrica (potenziometri); - la variazione del flusso concatenato con un avvolgimento (resolver e inductosyn); - la variazione della permeabilità magnetica del mezzo

1 TRASDUTTORI DI POSIZIONE Consentono di avere un segnale elettrico da cui si ottiene il valore di uno spostamento. I trasduttori di posizione si dividono in: trasduttori ELETTRICI trasduttori OTTICI TRASDUTTORI ELETTRICI Nei trasduttori elettrici in seguito ad uno spostamento, in funzione del trasduttore, si ha: - la variazione di una resistenza elettrica (potenziometri); - la variazione del flusso concatenato con un avvolgimento (resolver e inductosyn); - la variazione della permeabilità magnetica del mezzo in cui sono avvolti due avvolgimenti (trasformatore lineare variabile); - la variazione di una capacità (trasduttori di posizione capacitivi). Rilevando la variazione delle caratteristiche elettriche enunciate si ha una misura dello spostamento. 1- POTENZIOMETRI Trasduttori costituiti da un elemento resistivo omogeneo e con sezione costante su cui scorre un cursore collegato al dispositivo di cui si vuol rilevare la posizione; si ottiene in uscita una tensione V u proporzionale alla posizione x del cursore: V u = x V i / l Dove: V u è la tensione in uscita; V i è la tensione di alimentazione agli estremi del potenziometro; l è la lunghezza dell elemento resistivo; x è la posizione del cursore sull elemento resistivo. Le piste potenziometriche possono essere rettilinee, ad arco ed elicoidali.

2 I potenziometri rappresentano l inconveniente di richiedere il contatto fisico tra il cursore e l elemento resistivo e sono pertanto soggetti ad usura. Non vengono mai utilizzati nel campo delle macchine utensili e dei robot. Utilizzo dei potenziometri nei sistemi di controllo: I potenziometri vengono impiegati nei sistemi di controllo per ottenere delle tensioni variabili. In tal caso avremo: - Potenziometri di regolazione Si dividono in: potenziometri di preset: utilizzati per correzioni ed aggiustamenti saltuari; trimmer: utilizzati per correzioni ed aggiustamenti saltuari sono di migliore qualità e maggior costo dei precedenti. - Potenziometri di precisione: hanno lo stesso impiego dei precedenti ma sono molto più precisi. 2 - RESOLVER Trasduttore per la misura di spostamenti angolari molto utilizzato sia nel campo delle macchine utensili che in robotica; consente di rilevare la variazione di un flusso di induzione magnetica concatenato con un solenoide in funzione della sua posizione; tale flusso viene generato da un primo solenoide percorso da una corrente alternata avente frequenza maggiore di quella di rete. I due solenoidi, di cui uno fisso (statore) e l altro rotante (rotore), sono disposti attorno ad uno stesso nucleo di ferro, fatto di lamierini isolati; in base alle loro posizioni reciproche tutto il flusso dovuto al primo avvolgimento (statore) risulta concatenato totalmente o parzialmente al secondo (rotore). Ai capi del secondario si ha quindi una tensione indotta avente ampiezza diversa in funzione della sua posizione rispetto al primo solenoide.

3 3- INDUCTOSYN Può essere considerato la versione lineare del resolver. In esso lo statore viene sostituito da una scala o regolo in materiale isolante su cui è presente un circuito stampato a greca avente passo p e lunghezza necessaria. La greca sostituisce il solenoide dello statore. Il rotore viene sostituito da un cursore (spider), anch esso in materiale isolante, con due circuiti stampati identici a quelli della scala e sfasati fra loro di un quarto di passo. Con tale sfasamento si realizza una soluzione analoga a quello costituita dai due avvolgimenti rotorici sfasati di 90. Il circuito della scala è alimentato con una tensione alternata e genererà un flusso magnetico continuamente variabile. Il circuito della scala sono posti ad una piccolissima distanza fra loro in modo da avere una buona concatenazione del flusso magnetico. Nelle due greche del cursore si hanno due tensioni, diverse fra loro e continuamente variabili. La lettura contemporanea delle due tensioni consente di avere la posizione del cursore. 4-TRASFORMATORE LINEARE VARIABILE In questi trasduttori uno spostamento lineare di un nucleo magnetico viene trasformato in una tensione sinusoidale la cui ampiezza è proporzionale in valore e segno allo spostamento stesso rispetto ad una posizione centrale. Un trasformatore lineare è costituito da tre avvolgimenti tra di loro coassiali. Nel loro interno è presente un nucleo ferroso cilindrico che può scorrere assialmente. Il primo avvolgimento, che rappresenta il primario di un trasformatore, viene alimentato con una tensione alternata e genera un lusso magnetico continuamente variabile che si concatena con gli altri due avvolgimenti simmetrici rispetto al primario. In questi, per la variazione del flusso magnetico si generano due tensioni (E= / t) che dipendono anche dalla posizione del nucleo ferroso all interno degli avvolgimenti (varia la permeabilità magnetica del mezzo). I due avvolgimenti che costituiscono il secondario, sono collegati in controfase, cioè in modo che le due tensioni che si originano nei singoli avvolgimenti siano sfasate fra di loro di 180 e vengano sottratte fra di loro. Avremo che: 1. Se il nucleo è in posizione centrale, disposto cioè simmetricamente rispetto ai due avvolgimenti, in essi si hanno due tensioni uguali e, essendo collegati in controfase, all uscita si ha una tensione nulla; 2. se il nucleo è spostato verso sinistra il flusso concatenato con l avvolgimento destro sarà minore rispetto a quello concatenato con l altro avvolgimento. La differenza di fase fra le due tensioni, letta all uscita dei due avvolgimenti, è proporzionale allo spostamento del nucleo e sarà in fase con la tensione di alimentazione; 3. se il nucleo è spostato verso destra il flusso concatenato con l avvolgimento sinistro sarà minore rispetto a quello concatenato con l altro avvolgimento. La differenza di fase fra le due tensioni, letta all uscita dei due avvolgimenti, è proporzionale allo spostamento del nucleo e sarà in opposizione di fase con la tensione di alimentazione;

4 Questi trasformatori lineari variabili sono noti come LVDT (Linear Variable Differential Transformer = trasformatore variabile differenziale lineare). Vengono impiegati per spostamenti di piccola entità normalmente non superiori ai 200 mm. 5-TRASDUTTTORI CAPACITIVI AD AREA VARIABILE In tali trasduttori si hanno due condensatori di cui si rileva la variazione della capacità dovuta ad una variazione della superficie affacciata o della distanza fra le armature. Nel trasduttore capacitivo ad area variabile si hanno tre armature identiche di cui due fisse e una che potrà scorrere mantenendo sempre una distanza rigorosamente costante dalle armature fisse. Le armature fisse sono alimentate tramite un trasformatore il cui primario è alimentato con una tensione alternata. Gli altri due avvolgimenti sono collegati in controfase, cioè in modo che le due tensioni che si originano nei singoli avvolgimenti siano sfasate fra di loro di 180 e vengano sottratte fra di loro. Avremo che: 1. Se l armatura mobile è in posizione centrale, disposto cioè simmetricamente rispetto alle due fisse, i due condensatori hanno la stessa capacità e i essi si hanno due tensioni di uguale ampiezza, ma in controfasce pertanto all uscita si ha una tensione nulla; 2. Se l armatura mobile è spostata verso sinistra la capacità del condensatore destro diminuisce, mentre aumenta quella dell altro condensatore. Si hanno due tensioni controfasce di ampiezza diversa pertanto in uscita si avrà una tensione, pari alla loro somma, diversa da zero e proporzionale allo spostamento dell armatura. Tale tensione sarà in fase con la tensione di alimentazione; 3. Se l armatura mobile è spostata verso destra la capacità del condensatore sinistro diminuisce, mentre aumenta quella dell altro condensatore. Si hanno due tensioni controfasce di ampiezza diversa pertanto in uscita si avrà una tensione, pari alla loro somma, diversa da zero e proporzionale allo spostamento dell armatura. Tale tensione sarà in opposizione alla tensione di alimentazione; Questi vengono impiegati per spostamenti di piccola entità normalmente non superiori ai mm.

5 6-TRASDUTTTORI CAPACITIVI A SEPARAZIONE VARIABILE In tali trasduttori si hanno tre armature identiche; due di queste, parallele tra di loro, sono fisse, la terza può scorrere perpendicolarmente alle altre due. Le armature fisse vengono alimentate tramite un trasformatore a presa centrale i cui due avvolgimenti sono in controfasce, cioè in modo che le due tensioni che si originano siano sfasate tra di loro di 180. Se l armatura mobile viene spostata verso sinistra la capacità del condensatore destro è minore, mentre aumenta quella di quello sinistro e si ottiene una tensione di uscita proporzionale allo spostamento dell armatura che si suppone in fase con la tensione di alimentazione. Se l armatura mobile viene spostata verso destra la capacità del condensatore sinistro è minore, mentre aumenta quella di quello destro e si ottiene una tensione di uscita proporzionale allo spostamento dell armatura che si suppone in opposizione con la tensione di alimentazione. Per ottenere valori accettabili della capacità la distanza fra le due armature fise deve essee di circa 1 mm. Pertanto, dato il ridotto campo di misura, questo trasduttore bviene impiegato spesso quale indicatore di spostamento nullo.

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