Esempi di tipi di sensori

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1 Componenti dei sistemi di controllo I componenti dei sistemi di controllo In un sistema di controllo sono presenti generalmente i seguenti componenti trasduttori; rivelatori di errore (nodi di confronto); amplificatori; reti compensatrici (derivatori e integratori); attuatori. Sensori Si definisce sensore l elemento principale di una catena di misura che converte la variabile d ingresso in segnale adottato per la misura Sono dispositivi che permettono di <<sentire>> cioè riconoscere la presenza, il livello, l eventuale variazione delle varie grandezze fisiche caratterizzanti un sistema, quali la temperatura, la pressione, la posizione, la luminosità. In tal modo consentono di apprezzare l evoluzione del sistema e di definirne lo stato. Tipi di sensori Esistono diversi tipi di sensori, che possono essere classificati in base a diversi criteri. 1. A seconda della grandezza fisica presente al suo ingresso. Si hanno sensori meccanici (di spostamento, di velocità, di accelerazione, di forza, di pressione), di temperatura, di livello, ecc. 2. A seconda del segnale elettrico che danno in uscita. Se tale segnale varia con continuità, il sensore si dice analogico, se esso varia soltanto tra due livelli (alto o basso), il sensore si dice digitale. 3. A seconda dell alimentazione. Il sensore può avere o meno necessità di una sorgente di energia di alimentazione: nel caso non ne abbia bisogno, il sensore si dice attivo o autogenerante, altrimenti si dice passivo. 4. A seconda del suo utilizzo. Si hanno sensori industriali, da laboratorio, per impieghi generali. Interruttori di posizione meccanici Esempi di tipi di sensori Sensori di prossimità di tipo: induttivi, capacitivi ad effetto Hall, a ultrasuoni, fotocellule, ampolle reed Sensori per il controllo di livello: a galleggianti, conduttivi I sensori, in spesso sono accoppiati ad un sistema di trasmissione, in modo da poter inviare ad un blocco <<intelligente>> di comando (parte logica del sistema), l informazione sulla grandezza fisica rilevata. Trasduttore L unione dei due sistemi precedenti (sensore + trasmettitore) costituisce il trasduttore. Il trasduttore quindi è un dispositivo in grado di convertire il tipo di energia associata al suo segnale d ingresso in un altro tipo di energia associata al segnale d uscita 2 mod 2 controlli automatici_sensori.doc 1

2 Trasduttore di misura Con il termine trasduttore di misura viene indicato il dispositivo completo che accetta una informazione fisica in ingresso e la converte in una variabile d uscita della stessa natura o di natura diversa. Schema a blocchi di un trasduttore di misura Sensore Eleaborazione segnale Interfaccia Sistema acquisizione Grandezza da rilevare Segnale in uscita Abbiamo visto che il trasduttore accetta in ingresso energia di qualunque tipo (elettrica, meccanica luminosa, termica ) restituendola poi in altra forma se richiesto. Questa trasformazione di energia deve avvenire secondo una relazione nota, in modo che dalla conoscenza dell uscita si possa risalire alla misura della grandezza in ingresso. Dal punto di vista del modo di riferire l informazione raccolta il trasduttore può essere di tipo on off oppure del tipo analogico. Il secondo dà luogo ad un segnale variabile con continuità proporzionalmente alla grandezza misurata Energia in ingresso Trasduttore (relazione nota) Energia in uscita (anche di forma diversa, soprattutto elettrica) Questa relazione che intercorre fra segnale d ingresso e d uscita è la funzione di trasferimento Trasduttore attivo I trasduttori sono normalmente di tipo attivo, cioè danno luogo ad una vera e propria conversione di energia Trasduttore passivo Ci sono trasduttori nei quali l energia del segnale di uscita non viene fornita dalla grandezza in ingresso, la quale serve solo a modulare l energia che viene da un generatore che alimenta il trasduttore. L informazione contenuta nel segnale di uscita, consisterà proprio in questa modulazione. Energia in ingresso (Alimentazione) Trasduttore Passivo Segnale modulante Energia in uscita (Forma diversa) Caratteristiche statiche di un trasduttore 2 mod 2 controlli automatici_sensori.doc 2

3 1. Campo di funzionamento (o range, portata, campo di misura): intervallo di valori della grandezza rilevata che il trasduttore è in grado di accettare in ingresso e misurare con la precisione richiesta. 2. Potere risolutivo o risoluzione. Risoluzione di un trasduttore Un trasduttore riesce a distinguere due ingressi come diversi fra di loro, solo se differiscono di una certa quantità. Viene definita risoluzione il rapporto fra questa quantità e il valore massimo misurabile. La risoluzione può cambiare nell ambito del campo di funzionamento. Caratteristiche statiche di un trasduttore - sensibilità 3. Sensibilità: rapporto tra la variazione del segnale emesso dal trasduttore (grandezza in uscita ) e la corrispondente variazione della grandezza misurata (grandezza in ingresso) v K = x Caratteristiche statiche di un trasduttore - soglia 4. Soglia: Massimo valore della variazione dell ingresso, partendo da una condizione d equilibrio, prima che l uscita inizi a variare del valore minimo. Caratteristiche statiche di un trasduttore - lineare 5. Un trasduttore si dice lineare, quando il legame fra ingresso e uscita è una retta, cioè l uscita è proporzionale all ingresso. (non esistono trasduttori perfettamente lineari) 6. Linearità o errore di linearità Indicazione dello strumento Caratteristiche statiche di un trasduttore - linearità V Grandezza da misurare Massimo scostamento fra la curva reale e quella teorica (retta) espresso in percentuale 2 mod 2 controlli automatici_sensori.doc 3

4 Caratteristiche statiche di un trasduttore - isteresi 7. Isteresi V Indicazione dello strumento V Errore d isteresi Grandezza da misurare g i È la massima differenza V fra i valori dell uscita corrispondenti ad uno stesso valore di grandezza misurata Caratteristiche statiche di un trasduttore off-set 8. Off-set (o fuori zero) È il valore della tensione di uscita per valore nullo della grandezza in ingresso dovuto a imperfezioni costruttive o altre cause Caratteristiche statiche di un trasduttore Sovraccarico 9. Sovraccarico È il valore max del segnale d ingresso oltre il campo di funzionamento, che può essere applicato senza provocare danni Caratteristiche statiche di un trasduttore Vita 10. Vita tempo espresso in ore, o in numero di cicli o di giri o simili oltre il quale non è più garantito il corretto funzionamento. Caratteristiche dinamiche di un trasduttore Le Caratteristiche dinamiche sono i parametri che si riferiscono al regime transitorio o a variazioni di tipo oscillatorio non lente 1. Risposta in frequenza ( o banda passante) è l intervallo delle frequenze della grandezza misurata in cui il trasduttore dà le prestazioni dichiarate. Caratteristiche dinamiche di un trasduttore tempo di risposta 2. tempo si salita tempo necessario affinché l uscita raggiunga senza oscillazioni il valore pari al 90% del valore di regime 2 mod 2 controlli automatici_sensori.doc 4

5 risposta V f 63% V f T Costante di tempo t Caratteristiche dinamiche di un trasduttore - tempo di assestamento 3. Tempo impiegato dall uscita per stabilizzarsi entro una certa fascia di valori che si discostano di una certa quantità (es. 2%) dal valore finale Trasduttori di posizione 4. Potenziometro A + E I R R 2 C A R B R 1 V U C B V u = R 1 E + R 2 R 1 = E R R 1 Risposta temporale di un poteziometro a vuoto Vu E Vu R1 2 mod 2 controlli automatici_sensori.doc 5

6 Allo spostamento del cursore C corrisponde una variazione di resistenza tra i morsetti A e B, applicando una tensione costante fra a A e B la tensione ai capi di B e C dipenderà dal valore dello spostamento del cursore C. Trasformatori differenziali Trasformatori differenziali Il principio di funzionamento è evidente. Ci sono un avvolgimento primario alimentato in alternata, due avvolgimenti secondari e un nucleo ferromagnetico mobile. Se il nucleo è centrato nei due secondari le tensioni indotte sono uguali e, essendo in controfase, si ha una tensione di uscita nulla. Se il nucleo si sposta, da una parte o dall altra prevale una delle due tensioni secondarie. Si ottiene così, in uscita, un segnale di tensione alternata di ampiezza proporzionale allo spostamento del nucleo. La precisione di questi trasduttori è notevole. Raddrizzando l uscita si può ottenere un segnale in corrente continua. 2 mod 2 controlli automatici_sensori.doc 6

7 Trasduttori di posizione digitali o encoder Questi dispositivi rivelano gli spostamenti angolari di un asse Il più semplice di questi dispositivi è costituito da un disco calettato sull asse di un albero rotante. Sul disco sono praticati dei fori in modo che, durante la rotazione, si affaccino in corrispondenza di un diodo LED. Contando gli impulsi in uscita dal fototransistore è possibile determinare di quanto l albero ha girato. Dispositivi di questo tipo sono detti encoder incrementali. Maschera con codice binario Esistono anche encoder in grado di fornire direttamente la posizione angolare (encoder assoluti). Il disco, in questo caso, è costituito da una maschera come in figura, con più file di fori o di combinazioni trasparente-opaco, e quindi più coppie LED-fototransistore. I fori sono disposti, per ogni frazione di giro, in modo che forniscano in uscita un segnale digitale relativo al codice (BCD, Gray, binario, ecc.) del settore di angolo giro che si trova in quel momento davanti ai LED. 2 mod 2 controlli automatici_sensori.doc 7

8 Sensori di prossimità Sono dei sensori in grado di avvertire la presenza di un oggetto a una data distanza Possono essere a soglia, provocando una commutazione di tipo on-off al superamento di una certa distanza di avvicinamento dell oggetto, oppure possono presentare in uscita un segnale analogico, funzione della distanza dell oggetto dal sensore stesso. Sensore di prossimità a riluttanza Questo tipo di sensore di prossimità rileva la variazione della riluttanza magnetica. Il funzionamento è il seguente: una bobina è avvolta su un magnete permanente; quando al magnete si avvicina un oggetto ferromagnetico si ha una improvvisa variazione del flusso concatenato con la bobina. Ai suoi estremi si manifesta una tensione tanto maggiore quanto maggiore è la rapidità con cui l oggetto si avvicina e quindi la rapidità con cui varia il flusso magnetico Interruttori di posizione magnetici (contatti Reed) Contatti Reed Sono formati da due parti: l unità magnetica e l unità di contatto. Il contatto (detto di tipo Reed) è costituito da due o tre lamine di rodio o tungsteno dentro un tubo di vetro contenente gas inerte. Trasduttori di velocità Questo tipo di componenti (tachimetri o generatori tachimetrici) sono di notevole importanza in quanto largamente usati nei sistemi di controllo. Ne esistono funzionanti sia in corrente continua sia in corrente alternata. 2 mod 2 controlli automatici_sensori.doc 8

9 Dinamo tachimetrica Un tachimetro in corrente continua è detto dinamo tachimetrica. Esso è costituito da una piccola dinamo, generalmente eccitata con magnete permanente, dalla caratteristica abbastanza lineare, realizzata in modo da avere proporzionalità tra la velocità angolare del rotore e la tensione in uscita. La relazione è la seguente: V U = K 1 ω dove ω è la velocità angolare del rotore e K1 è detta costante tachimetrica o gradiente tachimetrico. Di solito i circuiti magnetici di queste dinamo sono costruiti con materiali la cui permeabilità varia con la temperatura, in modo che il flusso al traferro si possa considerare costante. La corrente assorbita all uscita di una dinamo tachimetrica deve essere sempre relativamente bassa per evitare fenomeni di smagnetizzazione e anomalie di commutazione dovute alla reazione di armatura. Fotoresistori Trasduttori fotoelettrici La conduttività di un materiale semiconduttore cresce al crescere della intensità luminosa che lo colpisce. Alcuni materiali semiconduttori, particolarmente se compositi, sono estremamente sensibili a questo fenomeno. La fotoresistenza è costituita da uno strato molto sottile di semiconduttore sul quale sono appoggiati gli elettrodi metallici disposti a pettine. LX 851 N 119 pag.76 2 mod 2 controlli automatici_sensori.doc 9

10 Da Nuova Elettronica Trasduttori di temperatura Una delle applicazioni più comuni dei controlli automatici riguarda la regolazione della temperatura in numerosi tipi di situazioni (ambiente domestico, forno, processi industriali). Questi dispositivi trasformano un valore di temperatura in una grandezza elettrica (per esempio una resistenza elettrica o una differenza di potenziale). Un trasduttore digitale di temperatura può essere realizzato con una lamina bimetallica, composta da due sottili lamine di metalli diversi (ad esempio rame e invar) saldati l uno sull altro. Una lamina di metallo subisce una dilatazione lineare, secondo la legge: l=l 0 [1+α(T T 0 )] dove l 0 ed l sono le lunghezze della lamina alle temperature rispettivamente T 0 e T, ed α è un coefficiente, caratteristico del materiale, detto coefficiente di dilatazione lineare. L invar è una lega ferro-nichel ed è caratterizzata dal fatto che presenta un coefficiente di dilatazione minore di quello del rame. Quando la lamina bimetallica è sottoposta a una variazione di temperatura, si deforma in quanto le due lamine si allungano in modo differente. E così possibile comandare una commutazione on-off. Termoresistenze ρ = ρθ α ( θ ) 1 θ 0 0 Vengono realizzate termoresistenze con metalli puri i quali presentano coefficienti di temperatura ben precisi, come il platino. Questi componenti sono detti anche rivelatori RDT (Resistance Temperature Detectors). 2 mod 2 controlli automatici_sensori.doc 10

11 Termistori I termistori sono dispositivi a semiconduttore. Se si raffredda un materiale semiconduttore (germanio o silicio intrinseco, cioè non drogato) fino a una temperatura di 273 C, si constata che il materiale non conduce. Se si scalda il cristallo si rileva che esso conduce e la conduttività aumenta all aumentare della temperatura, in quanto, scaldando il cristallo gli atomi non sono più in posizione di riposo ma compiono movimenti oscillatori in tutte le direzioni. Durante tali movimenti si rompono i legami con gli atomi vicini e i singoli elettroni di valenza si staccano dai loro atomi. Applicando ora una differenza di potenziale dall esterno si può osservare un passaggio di corrente elettrica. In questo tipo di materiali, quindi, la conduttività, a differenza dei metalli, aumenta con l aumentare della temperatura. I componenti basati su questo principio vengono detti termistori o resistori NTC, dove NTC sta per Negative Temperature Coefficient, cioè coefficiente di temperatura negativo. log R NTC Caratteristica dei NTC T I materiali utilizzati in pratica non sono germanio e silicio, in quanto troppo sensibili alle impurità, ma semiconduttori ceramici (ossidi di manganese, nichel, cobalto, rame e titanio). Le applicazioni di questi componenti non sfruttano la sola caratteristica resistenza-temperatura, ma anche la caratteristica tensione-corrente o la caratteristica corrente-tempo. Frequente è infatti l impiego dei termistori NTC in circuiti ritardatori, ad esempio per l eccitazione di relè ausiliari. Alcuni materiali semiconduttori fortemente drogati possono presentare un coefficiente di temperatura positivo e molto più elevato di quanto non avvenga nelle normali termoresistenze. il principio sul quale si basa questo fenomeno è dovuto al fatto che i portatori di carica (elettroni liberi e lacune) al crescere della temperatura diminuiscono la propria mobilità. Termistori Utilizzando questi materiali si ottengono i termistori o resistori PTC (Positive Temperature Coefficient), nei quali il valore della resistenza aumenta con la temperatura. Questi componenti vengono utilizzati come protezioni contro le sovra-correnti e negli avvolgimenti dei motori trifase per prevenirne i danni da sovraccarico. 2 mod 2 controlli automatici_sensori.doc 11

12 log R PTC Caratteristica dei PTC T In figura 2.68 sono riportati i simboli CEI relativi ai termistori. 1 I termistori possono essere usati sia come veri e propri trasduttori, da inserire in un ponte di Wheatstone al pari delle termoresistenze, sia per la compensazione nei circuiti elettronici degli errori introdotti dalle variazioni di temperatura. Caratteristica di PTC e NTC La caratteristica non lineare di questi componenti non rappresenta un inconveniente. Essa può venire linearizzata nell intorno del punto di lavoro come indicato in fig. 1 Da corso di tecnica professionale, Bufalino Fratangelo Hoepli 2 mod 2 controlli automatici_sensori.doc 12

13 Aspetto dei termistori PTC Attuatori Si definisce attuatore un dispositivo che è in grado di trasformare un segnale di tipo elettrico in una azione meccanica. 2 mod 2 controlli automatici_sensori.doc 13