Parte II (Il Condizionamento)

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1 Pate II (Il Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi I sensoi basati sulla vaiazione della esistenza sono molto comuni. Ciò è dovuto al fatto che molte gandezze fisiche poducono la vaiazione della esistività dei mateiali. Una lista, necessaiamente incompleta pevede: Potenziometi; stensimeti; TD, Temistoi (PTC, NTC); Magnetoesistoi; Sensoi fotoesistivi; Igometi, Sensoi di gas; Sensoi di conduttività di liquidi..

2 Pate II (Il Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi Indipendentemente dalla gandezza misuata, i sensoi esistivi ichiedono un cicuito di condizionamento che: contenga un geneatoe di coente o di tensione e quindi poduca un segnale in uscita (la esistenza non è un segnale); pemetta di ottenee dal sensoe una tensione adatta al cicuito di misua, in genee un convetitoe A/D (ADC).

3 Pate II (Il Tasduttoi) Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi Il modo più immediato pe misuae la esistenza si un sensoe esistivo è: Alimentalo a coente costante e leggee la caduta di tensione ai suoi capi. Alimentalo a tensione costante e leggee la coente che lo attavesa (eventualmente tasducendola in una tensione).

4 Pate II (Il Tasduttoi) Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi Tuttavia se poniamo: = o (+Δ/ o )= o (+) e se è «(un estensimeto può avee un valoe di dell odine di -5 a fondo scala) sia la tensione nel pimo caso, sia la coente nel secondo caso consisteanno di piccole vaiazioni sovapposte a un valoe costante molto elevato, con coispondenti poblemi di sensibilità.

5 Pate II (Il Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi Si considei un tipico sensoe esistivo (ad esempio un estensimeto). La tempeatua poduce delle vaiazioni del valoe della esistenza che possono essee maggioi di quelli povocati dallo stato di stess meccanico. Pe limitae tale effetto si usa un dummy stain gage in una configuazione a ponte di Wheatstone.

6 Pate II (Il Tasduttoi) Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi In paticolae una vaiazione di esistenza è misuabile utilizzando un ponte di Wheatstone, in cui uno o più lati sono elementi vaiabili. NB: il ponte di Wheatstone viene utilizzato come stumento a deflessione. In questo caso lo sbilanciamento del ponte dovuto alla vaiazione del valoe di un lato non viene bilanciato, ma poduce una tensione d uscita che viene misuata utilizzando uno stumento di tipo voltmetico. Si ha in questo modo un metodo di misua veloce (dipende dalla banda passante del sistema pe a misua della tensione).

7 Pate II (Il Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi NB: il ponte di Wheatstone, usato come stumento di deflessione, è un dispositivo non lineae, tuttavia se sono ispettate cete simmetie (e questo è il caso del ponte di stain gage) la tensione d uscita è una funzione lineae della vaiazione di esistenza!

8 Pate II (Il Tasduttoi) Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi B e A im m C D Si supponga che lo stumento di misua della tensione di uscita abbia esistenza d ingesso m molto gande ispetto alle esistenze che compongono il ponte (im=). Si ha: e AC e CD e AD e CD e DA e

9 Pate II (Il Tasduttoi) Il ponte di Wheatstone: gli estensimeti Se valgono le simmetie: si ha: e e AC AC e ovveo una funzione lineae del valoe della tensione d uscita con le vaiazioni della esistenza. Tale lineaità si mantiene anche se le esistenze e sono fisse, mente la sensibilità si dimezza. e

10 Pate II (Il Tasduttoi) Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi La elazione è appossimativamente lineae anche nel caso in cui vaia una sola esistenza puché tali vaiazioni siano piccole. Tale ipotesi è sempe soddisfatta pe gli estensimeti. Lineaizzazione

11 Pate II (I Tasduttoi) La lineaizzazione può non essee lecita nel caso di alti sensoi esistivi (ad esempio pe i temometi a esistenza pe i quali si può avee una vaiazione della esistenza anche del % o supeioe. Nel caso geneale, supponendo inizialmente il ponte in equilibio (e AC =, = ), potemo scivee: Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi Pate II (I Tasduttoi) Pate II (I Tasduttoi) Pate II (Il e e e e e e e e AC e NB: soltanto se vale la condizione <<+ è possibile suppoe l uscita del ponte sia popozionale al cambiamento subito dalla esistenza.

12 Pate II (I Tasduttoi) icodano la definizione di e supponendo di essee inteessati al legame ta l uscita del ponte e le vaiazioni di, si ottiene (pe =): Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi Pate II (I Tasduttoi) Pate II (I Tasduttoi) Pate II (Il. ; ; d d d d d de S e e e e e AC o

13 Pate II (Il Tasduttoi) Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi Il massimo della sensibilità ispetto a, si ottiene imponendo la condizione: d d d e e ; ds ; ;. ;

14 Pate II (Il Tasduttoi) Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi Pe =, la condizione pe la lineaità del ponte diventa <<. NB: In ealtà la lineaità non è un equisito essenziale pe avee una buona accuatezza. Il equisito in tal senso è la ipetibilità dei isultati. Tuttavia, dispoe di un sistema di misua semplifica sempe l intepetazione dei isultati ed esistono dei metodi di lineaizzazione analogica del ponte.

15 Pate II (Il Tasduttoi) Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi Un possibile schema è ipotato in figua. Pe i lati a sinista si ha infatti: v v i ;

16 Quindi pe i ami a desta deve essee: Pate II (I Tasduttoi) Pate II (I Tasduttoi) Pate II (Il Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi ; v i Pe qualsiasi ampiezza della vaiazione elativa. NB: la stuttua ipotata ichiede che il ponte abbia 5 punti accessibili (un vetice della diagonale di ilevazione deve essee apeto).

17 Pate II (Il Tasduttoi) Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi sistono tuttavia configuazioni che non impongono tale necessità. Infatti, pe i due ami a sinista si ha: oa v i v i ; i ; ;

18 Consideando il patitoe di desta deve alloa essee: Pate II (I Tasduttoi) Pate II (I Tasduttoi) Pate II (Il Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi ; v i o o Ovviamente è necessaio che l amplificatoe abbia basse tensioni di offset e piccole coenti

19 Pate II (Il Tasduttoi) Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi Si iconsidei lo stain gage di tipo metallico (con gage facto G=.) di valoe = Ω che deve misuae lo stato defomativo di un ogano di acciaio (modulo di Young Y= Gpa). Si ha: l l l G l 8 Y 9 l G l ( ) 5 9

20 Pate II (Il Tasduttoi) Il ponte di Wheatstone: gli estensimeti Sia il valoe della coente massima pai a ma. Si ha: e o e e e e * * * 7. * m

21 Pate II (Il Tasduttoi) Il ponte di Wheatstone: gli estensimeti In ogni caso il valoe della tensione in uscita dal tasduttoe è molto piccola ed è necessaio icoee a degli amplificatoi. Il limite infeioe della tensione che può essee misuata (e quindi della esistenza) dipende dal umoe temico associato alla esistenza stessa.

22 Pate II (Il Tasduttoi) Il ponte di Wheatstone: gli estensimeti Nel caso dello stain gage in esame, ai suoi capi si ealizzeà una tensione di umoe il cui valoe quadatico medio vale: T noise,ms.8 K, f Tf J / Hz Pe l esempio in esame si icava: noise, ms.5 Ovveo un appoto segnale umoe pai a /.5=89/. Se il caico fosse stato volte più piccolo l uscita del sensoe saebbe scesa a. m, ovveo più piccolo del umoe temico.

23 Pate II (Il Tasduttoi) Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi Quando l elemento esistivo deve essee utilizzato pe misue a distanza, occoe tenee in conto l effetto di caico dei fili di contatto che si sommano alla esistenza del sensoe e che può essee confontabile con queste (come nel caso degli TD). Ad esempio m di un cavo di ame AWG (.Ω/m), compoteebbeo una esistenza pai a: w =.*/=. Ω e tale valoe è confontabile con la vaiazione di esistenza di un Pt podotto da un incemento di tempeatua di C.

24 Pate II (Il Tasduttoi) Cicuiti di condizionamento dei sensoi esistivi In questo caso si icoe al metodo dei te fili o metodo di Siemens.