GENERALITA SUI SENSORI IMPIEGATI PER IL MONITORAGGIO E CONTROLLO DELLE PRODUZIONI AGRICOLO-ZOOTECNICHE Sommario GENERALITA SUI SENSORI IMPIEGATI PER IL MONITORAGGIO E CONTROLLO DELLE PRODUZIONI AGRICOLO-ZOOTECNICHE... 1 1 I SENSORI NELLO SPAZIO DELL INFORMAZIONE... 1 2 - DEFINIZIONI... 3 3 - TARATURA, OFFSET, RANGE DEI SENSORI... 9 4 - ACCURATEZZA E PRECISIONE... 12 5 DIVERSI ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI SENSORI... 15 6 ALCUNI SENSORI COMUNI... 19 6.1 Sensori resistivi... 19 6.2 Sensori di temperatura... 20 6.3 Sensori termografici... 20 6.4 Sensori induttivi... 20 6.5 Sensori capacitivi... 20 6.6 Sensori fotoelettrici... 20 6.7 Encoder... 20 6.8 Dinamo tachimetriche... 20 6.9 Sensori piezoelettrici... 20 6.10 Sensori ad ultrasuoni... 21 6.11 Sensori elettrochimici... 21 1 I SENSORI NELLO SPAZIO DELL INFORMAZIONE Come visto, nell abito delle tecnologie Informatiche ed elettroniche oggetto di studio, i sensori rappresentano una tecnologia di base che è essenziale in tutti i casi in cui si intendano realizzare dispositivi di automazione delle decisioni operative.
In particolare il loro ruolo nel ciclo di monitoraggio e controllo è quello di essere preposti alla raccolta automatica dei dati grezzi inerenti il sistema ambientale, produttivo ed operativo che si intende prima monitorare e poi controllare. Di base quindi, i sensori costituiscono il primo anello della catena di elementi tecnologici che concorrono alla estrazione di informazione dal mondo reale in vista dell incremento di conoscenza sul medesimo che porta, all interno del dominio dato, al miglioramento della produttività (sostituzione dell attività umana con un dispositivo automatico) o della capacità decisionale dell utente che impiega la tecnologia.
E quindi importante capire che tutte le volte che si procede alla definizione di un sistema di controllo che si basa sul rilevamento dei dati grezzi da parte di generici sensori ci si trova di fronte a un processo evolutivo della tecnologia che si basa sulle 4 fasi definite da Rutten et AL a proposito della messa a punto dei sensori per la gestione degli allevamenti bovini. In particolare, si possono evidenziare le seguenti fasi: 1 Implementazione tecnica. Riguarda la scelta del parametro fisico o chimico che deve essere misurato e la definizione degli algoritmi associati alla restituzione di tale misura con frequenza, caratteristiche elettriche e modalità che rappresentino le variazioni che nel tempo intervengono nel fenomeno che deve essere sottoposto a dominio conoscitivo. L uscita di sottosistema che si realizza a questo livello è ancora costituita da DATI 2 Elaborazione dei dati e loro trasformazione in informazioni. I dati in uscita da 1 sono confrontati con dati standard che rappresentano il comportamento ORDINARIO del sistema in via di controllo. Per fare ciò in molti casi possono essere impiegate misure o osservazioni effettuate con sensori/strumenti che assumono la funzione di GOLD STANDARD. Taratura e validazione sono le tecniche principali che si impiegano in questa fase. 3 Integrazione delle informazioni 4 Messa in essere dell azione decisionale 2 - DEFINIZIONI Un sistema di misura è generalmente formato da una catena di elementi che ne caratterizzano sia la qualità sia il campo di impiego. Con riferimento alla Fig., è possibile individuare i seguenti elementi:
- un dispositivo di captazione (elemento sensibile), in molti casi non presente o integrato direttamente nel trasduttore; - un trasduttore, che provvede a estrarre il dato d'interesse dalla grandezza fisica a cui è collegato direttamente o attraverso il dispositivo di captazione ed a trasferirla, sotto forma di segnale (di definite caratteristiche), all anello della catena di misura successivo; - un sistema di condizionamento, che provvede a modificare ed ottimizzare le caratteristiche del segnale proveniente dal trasduttore/sensore per renderlo conforme all impiego che verrà messo in essere dall anello successivo della catena di misura; - un sistema di conversione, che provvede a trasformare la natura dell'informazione da analogica a numerica, in modo che, sotto quest'ultima forma, venga trasferita all esterno della catena di misura verso la macchina calcolatrice; - una macchina calcolatrice, che provvede a memorizzare od elaborare il dato in forma numerica per ottenere l'informazione da impiegare nel dispositivo di controllo vero e proprio. In generale, ogni sensore è basato sull impiego di un trasduttore
Il trasduttore è un dispositivo fisico progettato per trasferire energia da un punto all altro mantenendo una proporzionalità tra le quantità entranti e quelle uscenti. A esempio due ingranaggi di una trasmissione possono essere considerati dei trasduttori. In tal caso si parla di trasduttori omogenei, in quanto non varia il tipo di energia impiegata. Al giorno d oggi sempre più utilizzati sono i trasduttori non omogenei in cui grandezze appartenenti a un sistema energetico vengono trasformate in grandezze proporzionali appartenenti a un diverso sistema energetico. Così, a esempio, una lampadina da un punto di vista della teoria dei trasduttori, trasforma energia elettrica in energia luminosa mantenendo una proporzionalità tra le due forme di energia e potrebbe essere usata per trasmettere proporzionalmente dei segnali. Alcuni esempi di grandezze fisiche fondamentali o derivate in entrata di un trasduttore sono: posizione lineare, velocità, accelerazione, posizione angolare, forza, peso, pressione, temperatura, radiazione, campo elettrico, campo magnetico, densità, livello, portata, viscosità, umidità, intensità elettrica, etc.. Per potere essere proficuamente inserito all interno di una catena di misura, il trasduttore vero e proprio deve essere completato con alcuni dispositivi ancillari e si parla così di sensori di misura. Il sensore ha lo scopo, attraverso un elemento sensibile e un trasduttore, di inviare un segnale di misura agli elementi della catena in modo tale che questo segnale mantenga una proporzionalità con la grandezza fisica dell ambiente misurando e possa quindi diventare esso stesso (il segnale) un elemento di input per il sistema di controllo. Nei sistemi di misura e di controllo automatico, quindi, il sensore è il dispositivo che fornisce in uscita un segnale che dipende dal valore di una determinata grandezza presente all ingresso: è quindi analogo al trasduttore (i due termini sono talvolta usati come sinonimi) e si basa spesso sugli stessi principi di funzionamento, ma se ne differenzia per la funzione, che nel trasduttore è di convertire la variazione di una grandezza fisica nella variazione di un altra (a fini di misura, di registrazione o di
utilizzazione del nuovo segnale generato) mentre nel sensore è di determinare il valore della variabile in ingresso a fini di regolazione o di controllo del sistema in cui il sensore è impiegato I sensori possono poi essere: - Attivi: Quando forniscono in uscita un segnale direttamente utilizzabile da circuiti di elaborazione senza nessun consumo di energia elettrica. E il caso delle celle fotovoltaiche e delle termocoppie. - Passivi: quando bisogna fornire energia elettrica perché la grandezza fisica d uscita possa essere trasformata in una grandezza elettrica. Ad esempio il potenziometro che fornisce in uscita valori di resistenza diversi, a seconda della posizione. Fig. sensore di tipo attivo in cui una cella fotovoltaica fornisce una corrente proporzionale alla radiazione luminosa
Fig. sensore di tipo passivo in cui un potenziometro è alimentato dall esterno Come visto, in generale il segnale d'ingresso al sensore coincide con il misurando e il dato d'interesse è il valore che quest'ultimo assume in una certa unità di misura. Il segnale d'uscita, invece, è generalmente di natura diversa, tipicamente elettrica. In generale, si parla di: - segnali analogici quando il dato d'interesse è associato direttamente ai valori assunti dalla grandezza che costituisce il segnale; - segnali digitali quando il segnale di uscita è composto da uno o da una sequenza di più segnali digitali che possono assumere ciascuno solo due livelli di tensione identificati come 0 e 1.
Fig. - Segnali analogico (in altro) e digitale (in basso). L'impiego del sensore richiede ovviamente che se ne conosca la caratteristica di trasferimento, cioè la relazione che lega il segnale di ingresso a quello di uscita. Fig. Caratteristica di un sensore
3 - TARATURA, OFFSET, RANGE DEI SENSORI In realtà, a causa delle inevitabili incertezze, per nessuno dei due segnali di entrata e uscita della funzione di trasferimento si può parlare di "valore", ma bisogna introdurre il concetto di "fascia di valore", cioè l'insieme di valori che rappresenta, nella sua globalità, la grandezza in questione, senza che nessuno di essi abbia più peso degli altri. Facendo riferimento alla relazione inversa, si preferisce dunque parlare di "funzione di taratura, definita come la relazione che permette di ricavare da ogni valore della grandezza di uscita la corrispondente fascia di valore del misurando. Per l utilizzazione di un generico sensore, quindi, viene di solito fornita una specifica tecnica (in forma grafica o tabulare) che riporta l'ampiezza della fascia stessa il che permette di individuare, misura dopo misura, dove si colloca il valore del misurando mediante un punto situato in posizione intermedia nella fascia. In questo contesto si può parlare anche di Curva di taratura (o curva di calibrazione) intendendo con ciò la relazione biunivoca tra ogni valore della grandezza di uscita e il corrispondente valore da assegnare al punto centrale della fascia di valore relativa al misurando. Quando la curva di taratura è rettilinea, cioè esiste una relazione di proporzionalità fra uscita e misurando, essa viene espressa di regola con un il coefficiente angolare K, chiamato anche costante di taratura (fattore di calibrazione). A valori di K elevati si hanno valori di sensibilità elevati. Si definisce offset il valore non nullo della variabile di uscita corrispondente al valore nullo della variabile d' ingresso.
Fig. Offset Il range di funzionamento, invece, costituisce quel segmento della caratteristica in cui si realizza un buon andamento lineare e dove, quindi, la costate di taratura è rimane fissa. Fig. Range di funzionamento. I sensori possono poi differire anche in termini di tempo di risposta inteso come il periodo che essi impiegano per raggiungere in uscita il valore di regime corrispondente al valore d' ingresso.
Fig. tempo di risposta di due sensori. In alto, risposta immediata. Sotto è necessario il tempo ta per raggiungere il valore di regime in uscita In un sensore, inoltre, l uscita non varia mai con continuità, ma presenta sempre una certa discontinuità, anche se molto piccola, tra un valore e il successivo. Si ha cioè un andamento a gradino per cui si verifica che a due valori diversi di ingresso, tra di loro diversi, corrisponda una stessa uscita Fig. risoluzione di un sensore Dal grafico di fig. si vede come per tutti i valori di i compresi tra i1 e i2, l uscita è sempre la stessa. Inoltre, a quantità Δi normalmente non è costante, ma variabile nel campo dei valori misurabili. Viene definita come risoluzione percentuale R di un sensore il rapporto tra la quantità Δi e il valore massimo misurabile: R = 100*Δi/Umax
Esempio Si abbia un sensore con fondoscala = 10 Volt ed ha una risoluzione R% =0.04% si ha Δi = 0.04 x 10 / 100 = 0.004 Volt E quindi il nostro sensore è in grado apprezzare una variazione di ingresso pari a 0.004 Volt 4 - ACCURATEZZA E PRECISIONE Infine, parametri fondamentali per valutare il comportamento dei sensori sono l accuratezza e la precisione. Questi caratterizzano il sensore a partire da una serie di misure in condizioni stazionarie effettuate con il medesimo e confrontate con un valore misurato da uno strumento di riferimento (gold standard). Fig. Concetti di accuratezza e precisione riferiti a un sensore di misura L accuratezza rappresenta lo scostamento della media della serie di misure effettuate da un valore di riferimento considerato VERO (cioè misurato utilizzando un campione dell unità di misura o uno strumento di tarato con un campione dell unità di misura secondo una precisa scala di riferibilità)
Esempio Supponiamo di conoscere attraverso uno strumento di riferimento che una dato grave pesa esattamente 1 kg. Supponiamo di eseguire con il nostro sensore una serie di 16 misure che ci danno i risultati che seguono La media di tale misure sarà data da
L accuratezza sarà quindi uguale a A = 1,006875-1 = 0,006875 kg Inoltre, l accuratezza percentuale sarà uguale a A% = 100*0,006875/1 = 0,6875% L accuratezza, quindi, può essere mantenuta nel tempo solo attraverso successive procedure di taratura periodica impiegando uno strumento di misura di riferimento. La precisione, invece, ci riferisce della ripetibilità della misure e, in genere, viene stimata attraverso il calcolo della deviazione standard di una serie di misure eseguite con il medesimo sensore. Esempio Partendo dalla serie di misure sopra indicate la precisione del nostro sensore sarà: Ricordando che la media delle pesate 1,006875 In termini percentuali essa risulterà pari a: P% = 100 * 0,028/1,006875 = 2,78% La figura. È esplicativa di come i concetti di accuratezza e precisione siano fondamentali nel definire il comportamento di un sensore di misura della posizione in un piano cartesiano x;y.
5 DIVERSI ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI SENSORI Box - Classificazione dei sensori in base al principio fisico misurato resistivi: sfruttano la variazione della resistenza (fotoresistori, termoresistori, sensori di posizione); capacitivi: sfruttano la variazione della capacita' di un condensatore (sensori di umidità); elettroacustici: convertono segnali sonori in grandezze elettriche (microfoni); elettrodinamici: si basano sul principio della forza elettromotrice per misurare velocita' (dinamo tachimetrica); elettromagnetici: utilizzano il principio dell'induttanza elettrica per rilevare angoli di rotazione; magnetorestivi: si fondano sul principio della permeabilita'; piezoelettrici: sfruttano l'originarsi di una polarizzazione elettrica su facce opposte di cristalli sottoposti a sollecitazioni (stress) fisiche; a semiconduttore: sfruttano le caratteristiche della giunzione dei semiconduttori (fotodiodi, fototransistor).
Fig. classificazione in base allo scopo della misura Tab classificazione in base alla grandezza misurabile
6 ALCUNI SENSORI COMUNI 6.1 Sensori resistivi
6.2 Sensori di temperatura. 6.3 Sensori termografici 6.4 Sensori induttivi 6.5 Sensori capacitivi 6.6 Sensori fotoelettrici 6.7 Encoder 6.8 Dinamo tachimetriche 6.9 Sensori piezoelettrici.
6.10 Sensori ad ultrasuoni 6.11 Sensori elettrochimici 7 - SCHEDE DI ALCUNI SENSORI INSERITI IN DOMINI INFORMATIVI SPECIFICI 7.1 - Sensori misura contenuti gas scarico Nei sistemi di abbattimento degli inquinanti SCR dei motori diesel denominati commercialmente AdBlue sono montati prima e dopo le marmitte catalitiche dei sensori di NOx e tra le due un sensore di temperatura. Il sensore di NOx è di tipo ceramico ed è realizzato in modo tale da fornire una
corrente che è proporzionale alla concentrazione di questi inquinanti nei gas esausti. Sulla base del valore misurato la centralina decide quanta miscela di urea e acqua dosare all interno nel catalizzatore. 7. 2 - Sensori misura numero giri singole ruote Anche sui trattori si stanno diffondendo i moduli ABS che basano il loro funzionamento su sensori di misura della velocità angolare di ogni singola ruota (encoder). Se la velocità di una ruota dovesse essere troppo bassa, l ABS rilascia il rispettivo freno per evitare il bloccaggio della stessa. In alcune soluzioni, poiché le ruote del trattore possiedono una notevole inerzia dovuta alle loro dimensioni e al loro peso elevato, il modulo ABS comunica inoltre con la centralina del trattore. Quest ultima può comandare la rispettiva ruota anche tramite il cambio se il rilascio del freno non è sufficiente a mantenere la velocità necessaria.
7.3 - Sensori misura pressione pneumatici In base alla misura della pressione con sensori posizionati all interno degli pneumatici oggi è possibile regolare la pressione anche durante la marcia del mezzo. Ciò avviene tramite distributori rotanti uno per ciascuna ruota sia del trattore sia dell attrezzatura ad esso collegata (rimorchio, carrobotte, ecc.), sia ancora della macchina semovente. Il sistema è alimentato da un compressore modificato e da un sistema di valvole proprio del veicolo. La pressione degli pneumatici, controllabile direttamente dal posto di guida, può essere aumentata di 1 bar in circa 10 minuti. Per ridurla di 1 bar occorrono invece soltanto 2 minuti.
7.4 - Sensori misura flusso per irroratrici La misura della portata delle miscele di prodotti liquidi (per trattamenti fitosanitari, per concimazioni, per fitoregolazioni etc.) è essenziale ai fini della messa in essere di specifici controlli delle medesime. Per questa funzione vengono come sensori i flussimetri (o flussometri). Essi possono basarsi su diversi principi di funzionamento anche se i più diffusi sono quelli a induzione elettromagnetica. Il limite principale di questi dispositivi è relativo al fatto che qualsiasi modificazione fisica del liquido impiegato nel circuito modifica le prestazioni del sensore e richiede quindi delle onerose operazioni di taratura. 7.5 - Sensori misura distanza da terra barre da diserbo
Le irroratrici di prodotti liquidi (per diserbo, concimazione, fitoregolazione etc.) sono sempre più spesso caratterizzate dalla presenza di barre di larghezza molto elevata (fino a 24 m). Il fatto che sulle barre siano montati ugelli che sono caratterizzati da un angolo di distribuzione costante fa sì che queste barre siano in grado di garantire una copertura omogenea a terra solo quando hanno una distanza dal suolo corretta. I sensori ad ultrasuoni sono in grado di misurare detta distanza e sono quindi diffusamente impiegati per costruire sistemi di controllo della medesima. Essi sono caratterizzati da un emettitore, che invia un segnale verso la superficie del suolo, e da un ricevitore, in grado di misurare il tempo che il segnale impiega per percorrere il tragitto di andata e ritorno. In base a detto tempo e alla velocità del segnale viene calcolata la distanza. 7.6 - Sensori misura volume parete fogliare I sensori ad ultrasuoni possono essere impiegati per stimare il volume delle pareti vegetative nelle colture arboree. In genere infatti, le coltivazioni arboree sono attuate con le piante disposte in filari con interfilare a distanza costante. Supponendo che l operatrice segua una traiettoria che sta nel mezzo dell interfilare e misurando la distanza tra parete vegetativa e sensori si risale alla forma della parete vegetativa. Utilizzando questa misura come input di un sistema di controllo, la distruzione può essere regolata in base al volume fogliare presente. 7.7 - Sensori misura produzioni sulle mietitrebbiatrici Nell agricoltura di precisione uno degli strumenti di analisi che viene maggiormente impiegato è quello delle mappe di produzione. Per potere creare queste mappe, oltre all impiego del GPS, sensore che verrà descritto più avanti, sono usati dei sensori per la misura della quantità di granella prodotta. Ne esistono di numerosi tipi. Uno tra i più diffusi prevede che la granella impatti su una piastra curva, posta all'estremità superiore dell'elevatore. La piastra è isolata meccanicamente dalla
mietitrebbiatrice, in modo che le forze incidenti siano proporzionali solo alla portata, misurata in termini di peso, senza interferenze. La piastra può ruotare intorno ad un asse; il trasduttore di forza misura quindi il momento e, in relazione ad un braccio fisso, si ricava la forza. Il sensore può essere utilizzato per ogni tipo di raccolto, senza ricalibratura di base. Uno dei vantaggi quindi è che il sensore deve essere calibrato una sola volta per stagione. Per i sistemi più recenti si ha un errore massimo del 3%. 7.8 - Sensori misura vigore vegetativo near sensing per colture erbacee Per semplicità, si può definire come vigore vegetativo delle colture la loro capacità di sintetizzare con efficacia nuova biomassa. Tale vigore può essere messo in relazione con una serie di parametri connessi alla capacità delle colture di riflettere l energia elettromagnetica (nel campo del visibile e del vicino infrarosso). Questa capacità viene usata per ricavare degli indici (NDVI e NDRE) che sono essenzialmente correlati al contenuto di clorofilla e quindi all N asportato dalla coltura. Essi, montati direttamente spandiconcime a regolazione VRT in campo, possono quindi essere usati per dosare automaticamente in continuo il medesimo N. Il sensore in figura è di tipo attivo e invia sulle foglie delle onde elettromagnetiche di particolare lunghezza in modo da eliminare l influenza della luce solare nella misura. Esistono peraltro anche sensori di tipo passivo, che si basano solo sull illuminazione naturale, ma questi sono meno precisi. I dati raccolti possono poi essere trasferiti su computer aziendale per il management informatizzato.
7.9 - Sensori misura vigore vegetativo near sensing per colture arboree I sensori prima descitti possono essere impiegati anche sulle colture arboree. In particolare le applicazioni su vite prevedono che i dati vengano poi impiegati per produrre mappe che individuano zone omogenee per il vigore. Queste servono poi per differenziare gestione tecnica per sottozone simili e le conseguenti varie operazioni (fertilizzazioni, potature, zonizzazione della raccolta). 7.10 - Sensori misura vigore per monitoraggio colturale remote sensing Alcune esperienze recenti hanno preso in considerazione l ipotesi di impiegare anche UAV (Unmanned Aerial Vheicle) per montare a bordo sensori attivi per la misura del vigore vegetativo del tipo di quelli già descritti. Peraltro, a bordo di UAV e satelliti sono già alcuni decenni (specie per i satelliti) che vengono impiegati sensori di diversa natura, ovviamente di tipo passivo, per ottenere rilievi delle caratteristiche colturali che poi vengono impiegati a scopi prevalentemente di controllo dei pagamenti UE o per ragioni agronomiche