Trasduttori. - converte una grandezza fisica (misurando) in un altra (più facilmente misurabile, generalmente elettrica).

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1 Trasduttori Trasduttore: - converte una grandezza fisica (misurando) in un altra (più facilmente misurabile, generalmente elettrica). misurando T (gr. elettrica) - funzionamento basato su un determinato fenomeno fisico (o su più fenomeni fisici). - Esempi: - microfono piezoelettico (eff. piezoelettrico) - termocoppia (eff. termoelettrico) - termometro a mercurio (dilat. termica) Trasduttori p.1/88

2 Trasduttori Trasduttore: - converte una forma di energia in un altra - classificazione: PASSIVO assorbe energia dal misurando ATTIVO richiede sorgente esterna di energia minore eff. caricante Trasduttori p.2/88

3 Trasduttori Classificazione: - secondo il tipo di misurando: spostamento, posizione, velocità, accelerazione, rotazione, vibrazione, forza, pressione, sforzo, tensione (meccanica), umidità relativa, concentrazione (di ioni, gas,... ), ph, campo magnetico, campo acustico, rugosità, temperatura,... - secondo il fenomeno fisico impiegato: capacitivi, induttivi, resistivi, piezoelettrici, eff. Hall, piezoresistivi, eff. termoelettrico, eff. tunnel, eff. fotoelettrico, eff. Doppler, eff. fotovoltaico, eff. fotoresistivo,... Trasduttori p.3/88

4 Trasduttori - Caratteristiche - Sensibilità - Range - Proprietà fisiche: tensione di alimentazione, temperatura di funzionamento... - Effetto caricante - Distorsione: è lineare o no? e quanto? - Risposta in frequenza (funzionamento dinamico) - Impedenza d uscita - Potenza richiesta - Rumore - Accuratezza Trasduttori p.4/88

5 Trasduttori - Caratteristiche (2) - Necessità e frequenza di calibrazione - Condizioni ambientali (polverosità, radiazioni... ) - Caratteristiche esteriori (forma, dimensioni, durata, robustezza... ) -... fen. fisico fen. fisico... a semiconduttore resistivo induttivo capacitivo forza pressione velocit `a temperatura misurando forza pressione velocit `a temperatura misurando Trasduttori p.5/88

6 Trasduttori resistivi Resistenza di un conduttore cilindrico: Applicazioni: spostamento, sforzi meccanici, pressione, forza, carico, temperatura, velocità di fluidi,... Trasduttori p.6/88

7 % * & Trasduttori potenziometrici Filo avvolto su supporto isolante, lineare (cilindro) o toroidale, o plastiche conduttive.!"# Caratteristica spostamento-resistenza solo idealmente lineare (n.l. ), migliore per materiali plastici. "')( Risoluzione dipendente dalle dimensioni del filo e del contatto. Trasduttori p.7/88

8 Trasduttori potenziometrici (2) Impiego: Sensibilità dipendente dalla tensione di alimentazione. Effetto caricante: Trasduttori p.8/88

9 Trasduttori potenziometrici (3) Generalmente rumorosi, sensibili alla polvere e all invecchiamento (usura). Trasduttori p.9/88

10 ' " Trasduttori p.10/88 Trasduttori potenziometrici - Effetto caricante " ' ' ' ' ' ' ' ' '

11 " " " " '" ' " Trasduttori potenziometrici - Effetto caricante '' ' ' ' ' Trasduttori p.11/88

12 "' "' '"' '' '' '' '' ' " Trasduttori potenziometrici - Effetto caricante ' ' ' ' ' Trasduttori p.12/88

13 % Estensimetri (strain gauge) Hp.: - deformazione a volume costante costante - %! ' # '(! ( Trasduttori p.13/88

14 # ' % Trasduttori p.14/88 Estensimetri (2) #... ): non costante, più in generale (! costante di cella (gauge factor)

15 % % '' Estensimetri - Fattore di cella!! ' materiale Costantana ( ) 2.05 Ni-Cr 2.0 Pt-W 4.5 Pt Al 0.32 Acciaio Inox Ti 0.34 Trasduttori p.15/88

16 Estensimetri - caratteristiche fisiche materiali, forma, dimensioni, valori - bonded/unbonded metal wire/foil, deposited thin metal, diffused semiconductor - mono/bi/tri-direzionali, a spirale - 120, 350, 500, da 0.5 mm in su Trasduttori p.16/88

17 Estensimetri - applicazioni misure di deformazione, forza, pressione,... - generalmente non riutilizzabili - durata: '""' - collante = fattore critico Trasduttori p.17/88

18 Trasduttori p.18/88 Ponte in C. A. ponte bilanciato:

19 % Trasduttori p.19/88 Ponte in C. A. #! %! ponte non bilanciato: misura vettoriale!!

20 Misure con Estensimetri (quarter bridge) #! % " # ((( Trasduttori p.20/88

21 ((( % % Trasduttori p.21/88 Estensimetri " "! "!

22 # Trasduttori p.22/88 Estensimetri - half bridge " "

23 Trasduttori p.23/88 " " Estensimetri - full bridge ((( conf. n. celle quarter bridge 1 half bridge 2 full bridge 4

24 Estensimetri - A.S.I. - necessità di amplificare la tensione di sbilanciamento (mv/v) - Automatic Strain Indicator (A.S.I.) dal sito Trasduttori p.24/88

25 Strain Indicator - Four input channels - Direct reading LCD display - On-board data storage - 0 to 2.5 Vdc analog output - Quarter, half and full bridge circuits - Built-in bridge completion - 120, 350 and 1000-ohm dummy gages - Automatic zero-balancing and calibration - Remote shunt calibration of transducers - Intuitive, menu-driven operations - USB data link - Portable, lightweight and rugged - Battery, USB or line-voltage power dal sito Trasduttori p.25/88

26 % % ' #% # ' # Estensimetri - Cause di errore (1)!" - variazioni di temperatura: ) - dummy cell ( "!" "!" %!" " ( Trasduttori p.26/88

27 '" ' Estensimetri - Cause di errore (2) autoriscaldamento ( - pilotaggio impulsato lunghezza dei collegamenti - sbilanciamento con - riduzione della sensibilità - variazioni di temperatura ) ' linearizzazione (1/4 bridge) Trasduttori p.27/88

28 Trasduttori capacitivi Condensatore a facce piane e parallele: variazione di variazione di variazione di posizione, spostamento, velocità, livello di un liquido,... Trasduttori p.28/88

29 Trasduttori capacitivi - Esempi Sensore capacitivo di (differenza di) pressione Versione push-pull: Trasduttori p.29/88

30 Trasduttori capacitivi - Esempi (2) Accelerometro capacitivo (differenziale) sez. A A sez. B B A A A A B B B B Trasduttori p.30/88

31 Trasduttori capacitivi - rivelazione " " " " Trasduttori p.31/88

32 %!! Trasduttori capacitivi - rivelazione % %! l ampiezza del segnale sinusoidale dipende dal tempo!! necessità di demodulazione Trasduttori p.32/88

33 # % Trasduttori capacitivi - rivelazione Ponte in C.A. # # "! (sollecitazione in corrente) Trasduttori p.33/88

34 Trasduttori capacitivi - comportamento dinamico (esempio) %! %! %! # Trasduttori p.34/88

35 # # Trasduttori p.35/88 %! #, # # %! # %! per le variazioni, %! # %"!

36 ( #" %! % #%!! %! %! %! " " %! % #! " %#!!% %! %#! %! con (sens. di velocità) Trasduttori p.36/88

37 %"! %"! % Trasduttori p.37/88 Trasduttori capacitivi! %! %! #" %! %!

38 % " ' ' ' Trasduttori resistivi di temperatura - Positive thermal coefficient (PTC) - Negative thermal coefficient (NTC) anche RTD (Resistive Temperature Detectors), o termistori "'' "'' "# "'' "'' "# " % PTC:! %!!' " ( ''')( ' & Trasduttori p.38/88

39 ' ' '' ' '' %! ' '' '" '' '' '' '' '' '' ''" '' % Trasduttori p.39/88! ' ''" '

40 # # & Trasduttori p.40/88 Pt100 & '' %!# " %! Pt100 '' ' '' ' - range: ) ''' ( ( ''')( - anno "')( - stabilità: drift - dimensioni: 1x10 mm circa - componenti standard, strumentazione dedicata

41 ' % (u.a.) Trasduttori p.41/88 Pt100 misurata con A.S.), ( (bil.) %!! # A B

42 %! %! # NTC - realizzati con ossidi di Mn, Ni, Co, Cu, Fe, Ti, o con semiconduttori - fortemente non lineari - applicazioni in ambito biomedico (flusso respiratorio, temperature, calore di reazione,... ), facilmente miniaturizzabili. " " Trasduttori p.42/88

43 Trasduttori p.43/88 NTC - linearizzazione

44 ' Trasduttori p.44/88 NTC - linearizzazione "! # & %

45 Anemometro a filo caldo Misura della velocità di un fluido in un condotto - filamento di Pt - range da 0.1 m/s a 500 m/s ( ) - legge di King: Trasduttori p.45/88

46 - misura mediante ponte - metodo poco invasivo Anemometro a filo caldo - comportamento fortemente dipendente dal tipo di fluido necessità di calibrazione - possibilità di rilevare il verso (2 anemometri) - appl.: studio correnti vorticose Trasduttori p.46/88

47 Trasduttori induttivi Principio: variazione di o : - range: mm m - misura mediante ponte - sensibilità: 100 V/m Trasduttori p.47/88

48 Trasduttori induttivi - LVDT (Linear Variable Differential Transformer) aumenta diminuisce aumenta diminuisce - range: mm m - misure di profili (suolo,... ), livello di fluidi, pressione, spessore (compresse, banconote,... ) - controllo di processo, sensore di posizione (..., chirurgia endocranica) Trasduttori p.48/88

49 LVDT Trasduttori p.49/88

50 LVDT A B C Trasduttori p.50/88

51 Trasduttori p.51/88 LVDT A B C

52 DC-LVDT OSC. LVDT DEMOD. - ingresso in C.C. - oscillatore interno - demodulatore interno - uscita in C.C. Trasduttori p.52/88

53 L.V.D.T. - non si ha sfregamento tra le parti attive durata infinita - robustezza (possibilità di sterilizzazione in autoclave) - risoluzione teoricamente infinita - ingresso/uscita analogici - praticamente lineare ( f.s.) - dimensioni contenute Trasduttori p.53/88

54 Trasduttori elettromagnetici L. di Faraday: movimento reciproco tra campo di induzione magnetica e conduttore. Trasduttori p.54/88

55 Linear Velocity Transducer (LVT) magnete magnete - non necessita di alimentazione (v. LVDT) - range: - sensibilità: mv/mm/s - misure di vibrazioni, sismologia, velocità di foratura, vel. di spostamento di presse idrauliche, servocontrolli,... Trasduttori p.55/88

56 Flussimetro elettrodinamico + dimensioni contenute, praticamente non invasivo - ingombro esterno + rileva il verso del flusso alternativo alternativa - funzionamento solo con liquidi conduttori (acqua, alcool, mercurio, sangue), S/cm. - risposta fortemente dipendente da altri parametri ( moto,... ), condizioni del Trasduttori p.56/88

57 Dispositivi a semiconduttore: Sensori integrati di temperatura (Possibilità di) integrazione con l elettronica di pilotaggio/elaborazione: riduzione delle dimensioni complessive; riduzione dei parametri parassiti ( maggiore affidabilità; Sensori basati su (costituiti da) circuiti integrati. eventualmente a loro volta integrabili con l elettronica di pilotaggio/elaborazione. ); Trasduttori p.57/88

58 # "! Trasduttori p.58/88 Sensori di temperatura a semiconduttore 1 - giunzione p-n legge della giunzione: : dipendenza da

59 ' ! / 1/ 0.0/ / 2! / 2/ ! 2!1!/ 2 /.1/ 2./ / 0. / Curva di calibrazione!!!#" 1( ' 0( ' / '. ' - *,+ ) ( '! ' ' ' & % 011/ 0!/ // !.!2 2!..01!!2.0!!!!!1!2!.!/!1!/ / / !0.11 /! 0 0!0!2! 0..! !.1 11/! 112!! / / 2/ 0. / 0/ / 0 1/ ! !..1.!.. 0! ! 00/ ! 2! ! !.1!! ! !/ /. // / 1/ /!!0.!! / !!/!.!2 11!/ 2 1/ 1 1/ 1.11!2 1 0!. 2 / / / /./ 0 / 0 0.0! /!2 1.!1 0. / 2 2!! 2 1/ 2 2 / 2! !2.! !.!2!0/! 1 / 0 2!0 0 2!12! 2.! 7 6 Trasduttori p.59/88

60 Sensori di temperatura a semiconduttore 8 - typical response ( EUR); - dispositivi calibrati ( EUR). Trasduttori p.60/88

61 Trasduttori p.61/88 Sensori di temperatura a semiconduttore 2 - sensori a circuiti integrati CONTR. 1 2

62 Sensori di temperatura a semiconduttore AD590 CONTR. 1 2 Trasduttori p.62/88

63 7 Sensori di temperatura a semiconduttore AD590: - sens.: - - temp. range: dal sito Trasduttori p.63/88

64 Trasduttori p.64/88 AD590 - esempi di applicazioni (1)

65 AD590 - esempi di applicazioni (2) 7 Trasduttori p.65/88

66 AD590 - esempi di applicazioni (3) 7 dal sito Trasduttori p.66/88

67 Trasduttori termoelettrici Effetto Seebek: ( 1820) t. mater. range ( B Pt/Rh 30% - Pt/Rh 6% 0 C) S E 68 J 60 K NiCr - NiAl -200 N (Cromel - Alumel) R Pt/Rh 13% - Pt 0 T Cu - CuNi -200 (Rame - Costantana) C C C C V/K V/K V/K V/K Trasduttori p.67/88

68 A B Trasduttori p.68/88 Termocoppie caratteristica non lineare linearizzazione su range ristretto curva (o tabella) di calibrazione 7

69 1 Trasduttori p.69/88 Termocoppie Caratteristica dipendente dal tipo di termocoppia / // - ++, * )( &%' "!#

70 Termocoppie - leggi Leggi delle termocoppie: - omogeneità della temperatura - omogeneità del materiale - - terzo metallo con giunzioni isoterme non altera il comportamento della termocoppia C A A C B B Trasduttori p.70/88

71 Trasduttori p.71/88 Termocoppie - leggi (2) - effetti di una terza temperatura - effetti di un terzo metallo A B X

72 Termocoppie - misura a) Cu Cu Cu Cost. Cu Cu Cu Cost. deve essere nota bagno termostatico Cu Cu Cost. Trasduttori p.72/88

73 Trasduttori p.73/88 Termocoppie - misura DVM A Cu B A b) Cu DVM A Cu B A Cu blocco isotermo

74 A B Trasduttori p.74/88 Termocoppie - misura DVM Cu A Cu blocco isotermo b) (cont.) DVM A Cu A B Cu blocco isotermo

75 Trasduttori p.75/88 Termocoppie - misura A B DVM b) A Cu B Cu blocco isotermo nota (misurata) (cont.) DVM Cu Cu blocco isotermo nota!

76 Termocoppie Realizzazione: - fili saldati alle estremità - deposizione dei metalli su substrato Altre caratteristiche: - intervallo di misura: - dipendenza delle caratteristiche da impurezze (calibrazione) - necessità di amplificazione della tensione - necessità di riferimento di temperatura - discreta robustezza (sonda / termocoppia esposta) Trasduttori p.76/88

77 Termocoppie * - possibilità di impiego in ambienti aggressivi - possibilità di impiego per alte temperature - bassa sensibilità a basse temperature - dimensioni molto ridotte impieghi anche in aghi e cateteri - tempo di risposta (transistorio termico): modalità costruttive, isolamento termico). (dipende dalle Trasduttori p.77/88

78 Termocoppie dal sito Trasduttori p.78/88

79 Termocoppie appr. polinomiale: range: , n= E E E E E E E-18 range: , n= e E tipo B, fonte: NIST ( Trasduttori p.79/88

80 Termocoppie appr. polinomiale: Inverse coefficients for type B: Temperature Range: Voltage Range: E E E E E E E E E E E E E E E E E E-06 fonte: NIST ( Trasduttori p.80/88

81 Trasduttori p.81/88 Termocoppie - misure DVM A Cu B (l. del metallo intermedio) Cu blocco isotermo nota (misurata) Effetti della terza temperatura: qualsiasi

82 Termocoppie - misure DVM A Cu B Cu blocco isotermo nota! - misura di - misura di (da tabelle) - determinazione di (differenza, compensazione) - calcolo di (da tabelle) - determinazione di Trasduttori p.82/88

83 Termocoppie codice a colori: Trasduttori p.83/88

84 Effetto Seebeck - legge fondamentale Legge di Seebeck: - materiale omogeneo: ; - - dipendente dal metallo; indipendente dall andamento della temperatura lungo il conduttore. Trasduttori p.84/88

85 Termocoppia (a) (b) indifferentemente per (a) o (b) Trasduttori p.85/88

86 Termocoppie - leggi indipendenza dalle temperature intermedie legge del terzo metallo (b) (a) Trasduttori p.86/88 (a) (b) dimostrabile mediante le affermazioni precedenti.

87 Termocoppie - leggi (2) legge della temperatura intermedia - dimostrabile mediante le affermazioni precedenti - permette di lavorare con la giunzione fredda a temperatura qualsiasi, purché nota (compensazione) Trasduttori p.87/88

88 Trasduttori p.88/88 compensazione hardware blocco isotermo nota! DVM A Cu B Cu ELAB