Sensori Industriali. Reti e Sistemi per l Automazione. Stefano Panzieri. Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 1

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1 Sensori Industriali Architetture di controllo distribuite - 1

2 Sensore Un trasduttore trasforma grandezze di un particolare sistema energetico in grandezze equivalenti di un altro sistema energetico E un trasduttore dedicato alla misura di grandezze fisiche di interesse in un impianto (industriale od ( altro Le grandezze di uscita appartengono al dominio fisico delle unità di controllo (elettrico, idraulico, ( termico pneumatico, Curva caratteristica Architetture di controllo distribuite - 2

3 ( statiche ) Definizioni di Qualità Accuratezza Conformità dei valori misurati alla curva caratteristica dichiarata Linearità Scostamento dalla curva caratteristica lineare Ripetibilità Capacità di fornire valore molto simili in misure ripetute Stabilità Capacità di conservare caratteristiche inalterate nel tempo Risoluzione Minima variazione in ingresso rilevabile in uscita Architetture di controllo distribuite - 3

4 Dinamica dei Trasduttori La caratteristica è di tipo passa-basso Parametri nel tempo: ritardo di risposta, tempo di salita Parametri in frequenza: frequenza di taglio, risonanza, tipo di sfasamento La risposta frequenziale è spesso limitata per grandi segnali ( derivata Slew rate (limitazione sulla Architetture di controllo distribuite - 4

5 Segnale di uscita Il trasduttore può fornire in uscita un segnale digitale o analogico Se il segnale è analogico potrebbe essere richiesto un condizionamento Il segnale in tensione o corrente deve essere spesso amplificato Alle volte la caratteristica può essere linearizzata Si approssima in maniera lineare Spesso ci si concentra su un intervallo piccolo Architetture di controllo distribuite - 5

6 ( 1 ) Principi Fisici Effetto fotoelettrico/fotovoltaico Tensione indotta dalla luce in metalli/cristalli drogati Effetto termoelettrico Variazione della tensione al variare della temperatura di una giunzione ( termocoppia ) metallica Effetto termoresistivo Variazione della resistenza in funzione della temperatura (metalli, ( semiconduttori Architetture di controllo distribuite - 6

7 ( 2 ) Principi Fisici Effetto piezoresistivo Variazione della resistenza in funzione della compressione ( semiconduttori (metalli, Effetto piezoelettrico Produzione di tensione sotto compressione (materiali ( ceramici Effetto Hall Tensione indotta dalla contemporanea presenza di un campo magnetico e di una corrente (metalli, ( semiconduttori Architetture di controllo distribuite - 7

8 Sensori per il Controllo di Processo ( manifatturiero Di Prossimità (posizione o velocità) (anche Switch meccanici, a ultrasuoni, infrarossi, laser Di Temperatura Termocoppia, termoresistenza Di Pressione e Deformazione Manometri a colonna, estensimetri Di Portata Dischi forati, venturimetri, a vortici, elettromagnetici, rotanti Di Livello Visuali, galleggianti, ad ultrasuoni, a tasteggio Architetture di controllo distribuite - 8

9 Switch Fotoelettrici Basati su sensori sensibili alla luce servono ad individuare la presenza di oggetti nel loro campo di azione ( polarizzati ) Di riflessione Con fibra ottica Diffusivi Architetture di controllo distribuite - 9 A lungo raggio

10 Questi sensori combinano un emettitore ed un ricevitore in un unico dispositivo a forcella La distanza tra il trasmettitore ed il ricevitore è determinata dalla forma del contenitore La luce emessa, un raggio molto accurato e concentrato, viene riletta da un sensore in grado di individuare le più piccole differenze di attenuazione Switch Fotoelettrici a Forcella Architetture di controllo distribuite - 10

11 Scanner di contrasto Basati su sensori fotoelettrici come i sensori di prossimità Ad una distanza di scansione costante riescono a distingure fino a 30 toni di grigio dal bianco al nero Questa proprietà è essenziale per individuare dei marker a forte contrasto, ad esempio delle barre colorate Architetture di controllo distribuite - 11

12 Scanner a luminescenza Questi scanner reagiscono a pigmenti luminescenti che vengono attivati da sorgenti di luce UV La luce riflessa è ricevuta ed elaborata dallo scanner Architetture di controllo distribuite - 12

13 Sensori di Colore I sensori di colore utilizzano un metodo basato sulla capacità degli oggetti colorati di riflettere in diversa misura raggi luminosi formati dalle tre componenti fondamentali (rosso, blu e ( verde Le coordinate cromatiche vengono comparate con dei valori memorizzati e, se sono all interno di un range di tolleranza, un output viene attivato. I sensori di colore possono individuare sia colori di superfici opache attraverso la riflessione, sia i colori di superfici trasparenti la dove un riflettore sia montato dalla parte opposta del sensore Architetture di controllo distribuite - 13

14 Sensori di prossimità induttivi Generano un campo elettromagnetico ed individuano un cambiamento di questo I materiali metallici (ferrosi e non ferrosi) sono facilmente individuati Architetture di controllo distribuite - 14

15 Sensori di prossimità capacitivi Generano un campo elettrostatico ed individuano un cambiamento di questo I materiali con valori dielettrici elevati sono più facilmente individuati Sensori capacitivi per etichette Architetture di controllo distribuite - 15

16 Sensori ad ultrasuoni Operano emettendo e ricevendo onde sonore intorno ai 200KHz La presenza di un oggetto è legata alla ricezione dell onda stessa Possono essere utilizzati per misurare la distanza valutando il tempo di volo di un pacchetto di onde Architetture di controllo distribuite - 16

17 Individuano la presenza di un oggetto per contatto Limit switch Architetture di controllo distribuite - 17

18 Producono un segnale logico al raggiungimento di una certa velocità e forniscono il senso di rotazione Switch di Velocità Architetture di controllo distribuite - 18

19 CAM Limit switch Attiva dei contatti durante la rotazione in posizioni programmabili Architetture di controllo distribuite - 19

20 Termocoppie Termocoppie Giunzione tra due metalli che produce una tensione quando ( Seebeck viene riscaldata (effetto Architetture di controllo distribuite - 20

21 Sensori di Radiazione Infrarossa Termopila Questo tipo di sensore è realizzato collegando in serie tra di loro un numero molto elevato di termocoppie, disposte in modo che una delle due serie di giunzioni (giunti caldi) sia colpito dalla radiazione incidente, mentre l altra serie (giunti freddi) risulti schermata da una apposita vernice. Architetture di controllo distribuite - 21

22 Temperatura Termoresistenze Metallo la cui resistenza varia con la temperatura Termistori Semiconduttore che varia la sua resistenza con la temperatura Architetture di controllo distribuite - 22

23 Pressione Manometri a colonna Architetture di controllo distribuite - 23

24 Pressione Deformazione di un elemento elastico Tubi Bourdon Con un leverismo Soffietto/Diaframma/Membrane Con un leverismo Manometri piezoelettrici Variazione conducibilità + ponte di Wheatstone A membrana Architetture di controllo distribuite - 24

25 Deformazione Estensimetri Trasduttori piezoresistivi Trasduttori induttivi Risonatori su silicio Architetture di controllo distribuite - 25

26 Portata Dischi forati Boccagli Venturimetri Misuratori a sezione variabile Sensori di portata a vortici Sensori di portata elettromagnetici Sensori massici Sensori rotanti Eco-Doppler Architetture di controllo distribuite - 26

27 Livello Visuali A galleggiante A principio idrostatico A principio capacitivo Ad ultrasuoni A tasteggio Architetture di controllo distribuite - 27

28 Sensori per concentrazioni Umidità Concentrazione di Gas Architetture di controllo distribuite - 28

29 Sensori di Umidità I sensori di umidità relativa capacitivi sono dei dispositivi la cui capacità è determinata dalla quantità di vapore acqueo presente nell ambiente in cui sono posti Architetture di controllo distribuite - 29

30 Sensori di Gas a Semiconduttore L elemento sensibile è costituito da un ossido metallico, tipicamente SnO 2. La rivelazione della concentrazione del gas si basa sulla misura della variazione della resistenza elettrica del sensore, rispetto al valore nominale, in presenza del gas. L ossido metallico presenta alla temperatura ambiente una resistività molto elevata per cui il sensore viene fatto funzionare ad una temperatura di esercizio di circa 400 C per mezzo di un apposito riscaldatore. Quando l ossido metallico viene in contatto con l ossigeno dell aria, tra i cristalli di ossido, a livello microscopico, si forma una barriera di potenziale che impedisce agli elettroni di conduzione di muoversi liberamente. In presenza di gas riducenti la barriera di potenziale diminuisce permettendo agli elettroni una maggiore libertà di movimento che corrisponde ad una riduzione della resistenza del sensore Architetture di controllo distribuite - 30

31 Sensori di Gas a Cella Elettrochimica Le celle elettrochimiche sono sensori adatti alla rilevazione di molti gas tossici o pericolosi, quali monossido di carbonio (CO), acido solfidrico (H 2 S), biossido di zolfo (SO 2 ), acido cianidrico (HCN), ossidi di azoto (Nox), ossigeno (O 2 ), idrogeno (H 2 ) e molti altri. Il loro funzionamento è basato su reazioni di ossido-riduzione che avvengono all interno della cella. In genere il segnale di uscita è una corrente proporzionale alla concentrazione del gas. Architetture di controllo distribuite - 31

32 ( Pellistori ) Sensori di Gas Catalitici I sensori catalitici sono costituiti da un filamento di platino rivestito da un composto catalitico formato da una base inerte (ad esempio allumina) e da un metallo catalizzatore che accelera la reazione di ossidazione. Il filamento viene mantenuto ad una temperatura tra i 400 e i 500 C da un apposito riscaldatore. Quando nell aria è presente un gas combustibile questo reagisce con il catalizzatore provocando una combustione controllata che accresce la temperatura del filamento. Dato che questo è di platino la variazione della sua resistenza è direttamente proporzionale all incremento di temperatura, che a sua volta dipende dalla concentrazione di gas combustibile Architetture di controllo distribuite - 32

33 Sensori di Gas all Infrarosso Molti gas sono caratterizzati da uno spettro di assorbimento infrarosso con bande molto strette e non sovrapposte. Questa caratteristica è alla base del funzionamento della tecnologia NDIS (Non Dispersive Infrared System) con cui vengono realizzati i rivelatori di gas all infrarosso Architetture di controllo distribuite - 33

34 Sensori Industriali Complessi Lettori di codici a barre Transponders Range finders Infrarossi Ultrasuoni Laser Visione Telecamere per visione mono e stereo Architetture di controllo distribuite - 34

35 Lettori di Codici a Barre 1D e 2D I simboli del codice QR sono quadrati e possono facilmente essere identificati facilmenti grazie ai quadrati chiaro/scuri agli angoli. Possono codificare fino a 7366 caratteri numerici o 4464 caratteri alfanumerici Vengono letti rapidamente con una video camera basata su sensore CCD e sfruttando degli algoritmi di image processing Architetture di controllo distribuite - 35

36 Transponder Un onda acustica o elettromagnetica viene emessa e riflessa da un elemento passivo L onda riflessa presenta una codifica interpretabile dal sistema di rilevazione Acustico RFID Architetture di controllo distribuite - 36

37 RFID HF/LF fino a 1 cm ( contactless (contact e UHF fino a 3/10 metri MW oltre 10 metri Tag: (attivo/passivo, read only/riscrivibile) Memorizza un identicativo univoco e opzionalmente ulteriori dati. Antenna: Legge i dati contenuti nei tag tramite radiofrequenza (backscattering) ed e in grado di distinguere i tag tramite i loro codici (univoci a livello mondiale). Infrastruttura software: Raccoglie e filtra i dati contenuti nei tag e li rende disponibili al sistema informativo aziendale. Architetture di controllo distribuite - 37

38 RFID: Applicazioni Tipiche ( LF/HF ) Antitaccheggio ( LF/HF ) Trasporto pubblico ( LF/HF ) Identicazione Animali ( LF/HF ) Immobilizzazione Veicoli ( LF/HF ) Applicazioni Mediche ( LF/HF ) Monetica ( HF/UHF ) Controllo dell'accesso ( HF/UHF ) Eventi sportivi ( UHF/MW ) Logistica Automazione Industriale ( UHF/MW ) Portale automatizzato Scelta del tool di lavorazione tramite RFID Architetture di controllo distribuite - 38

39 Rangefinders Usando le radiazioni elettromagnetiche in quattro modi: Tempo di volo di un impulso Radar, GPS, Ultrasuoni Comparazione di fase tra il segnale emesso e quello ricevuto; si usano più frequenze per eliminare le ambiguità Metodo doppler velocità stimata dalla differenza di frequenza tra l onda trasmessa e quella riflessa Interferometria Distanza misurata vedendo l interferenza tra luce laser emessa e quella ricevuta Architetture di controllo distribuite - 39

40 Infrarossi Utilizzati sia per individuare la presenza di persone/animali in un ambiente, sia per misurare distanze I range sono normalmente molto ( cm brevi (10/30 Architetture di controllo distribuite - 40

41 Ultrasuoni Piezoelettrici o Elettrostatici vibrano ad una frequenza superiore ai 20Khz e rilevano l onda sonora riflessa tramite lo stesso elemento vibrante (ad impulsi) o un secondo elemento (burst continui di ( impulsi Architetture di controllo distribuite - 41

42 Laser per il monitoraggio dello spazio operativo Basati sia sul tempo di volo, sia sullo shift di fase Architetture di controllo distribuite - 42

43 Laser Line Detection I sensori a sezione di luce emettono una linea laser in un certo angolo sugli oggetti che devono essere scanditi Il contorno dell oggetto scandito viene ricavato ed utilizzato per monitoraggio o per successive fasi di lavorazione Vengono individuati: Livelli di riempimento Presenza di un oggetto Orientamento di un oggetto Architetture di controllo distribuite - 43

44 Laser Applications Architetture di controllo distribuite - 44

45 Visione ( qualità Riconoscimento di oggetti (analisi Architetture di controllo distribuite - 45

46 Analisi Visive Contare e selezionare Verificare la stampa Verificare forme Verificare colori Architetture di controllo distribuite - 46

47 Analisi Visive Corretta chiusura Verifica inserimento Verifica integrità Architetture di controllo distribuite - 47

48 Impieghi della Visione Riconoscimento di Forme Analisi Anomalie Architetture di controllo distribuite - 48

49 Visual Servoing L utensile è guidato, istante per istante, su un percorso programmato Il feedback è chiuso utilizzando la telecamera come sensore di posizione nello spazio Architetture di controllo distribuite - 49