utomation obotics and System CONTOL Università degli Studi di Modena e eggio Emilia Tecnologia di un sistema di controllo COMPONENTI PE IL CONDIZIONMENTO DEI SEGNLI rgomenti trattati cquisizione ס Multiplexer mplificatore Campionatore Convertitore analogicodigitale ttuazione ס Convertitore digitaleanalogico Componenti della catena di acquisizione Struttura tipica 11 D H S Convertitore Campionatore mplificatore Multiplexer 3 4 1
Multiplexer Multiplexer Scopo ס consentire l utilizzo di un solo convertitore /D Caratteristiche ס n ingressi singleended o differenziali 1 uscita singleended o differenziale Tecnologia costruttiva ס CMOS o ipolare (DG56/57) Caratteristiche tecniche essenziali ס on : 28 Ω ±1% on tra canali: 5% on / T:.6%/ C t on / off : 2 5 ns Parallelismi tipici ס singleended 816 canali differenziale 48 canali 5 6 mplificatore differenziale mplificatore per strumentazione 1 3 2 4 Vout Problemi ס Impossibilità di avere resistenze uguali e con uguale coefficiente termico impedenza di ingresso dipendente dal guadagno e sbilanciata offset ad elevato guadagno non utilizzabile in ס applicazioni industriali ad elevato guadagno insieme ad un sensore 7 Vin g Vin frontend 2 livelli differenziale Vout 8 2
Calcolo del guadagno ס V cm V/2 V cm V/2 g mplificatore per strumentazione frontend V cm V/2 V cm V/2 e 1 = V cm (12/ g ) V/2 e 2 = V cm (12/ g ) V/2 g V V = V differenziale V cm = V modo comune I f = V/ g V 9 mplificatore per strumentazione Calcolo del guadagno ס e 1 = V cm (12/ g ) V/2 e 2 = V cm (12/ g ) V/2 V out = (12/ g ) V V V = V differenziale V cm = V modo comune differenziale Vsense Vout Vref 1 mplificatore per strumentazione (IN11G) Caratteristiche tecniche essenziali ס Guadagno: configurabile 1,1,1,2,5 G: (.4.4)% G/ T: ±(2 1) ppm/ C offset rip. all ingresso (TI): ± (5 5/G)µV offset/ T: ±(51/G) µv/ C imped. ingresso: >(1 12 )/6 Ω/pF settling time (.1%): 4 11µs CM: 7 11 d mplificatore per strumentazione Vin g Vin se V out = 1Volt e V sat = 13Volt e ttenzione alla saturazione del 1 stadio e = V cm ± G* V/2 Vout 5 Volt V cm < 8 V 11 12 3
mplificatore per strumentazione mplificatore per strumentazione Vin V sat g Vout Vin g V sat Vin Vin V sense Vout parass. carico ttenzione alle correnti di polarizzazione dello stadio di ingresso Se il sensore è flottante occorre creare un percorso verso massa altrimenti ci vanno attraverso le capacità parassite La retroazione negativa di solito si chiude fuori dall'integrato per consentire il collegamento remoto del carico in modo da neutralizzare gli effetti parassito del collegamento saturando gli amplificatori 13 14 mplificatore per strumentazione Vin g Vin V sense Vout il terminale V ref può essere collegato non direttamente a massa ma attraverso un generatore di tensione per traslare l'uscita di una quantità opportuna V ref V ref Campionatore (Track and Hold) schema di principio Vin T/H G=1 Driver Il campionatore ha una dinamica I b G=1 Vout tempo di acquisizione t acq. accertarsi che l'impedenza del persorso sia trascurabile per non danneggierebbe il CM dell'amplificatore il condensatore si scarica per correnti di bias attenzione all'impedenza di ingresso: potrebbe non essere alta drooprate 15 16 4
Campionatore (Track and Hold) Convertitore analogicodigitale (D346) Caratteristiche tecniche essenziali ס tempo acquisizione (.1%): 2ms offset: ±3mV Doffset/DT: ±.3mV/ C droop rate:.5mv/ms Ddrooprate/DT:.7mv/ms/ C impedenza ingresso: 3kW Numerose tipologie ס ad integrazione rampa doppia rampa in retroazione successive approssimazioni contatore conversione diretta flash per l automazione 17 18 Criteri di scelta Convertitore analogicodigitale ampa tempo conversione elevato basso risoluzione elevata elevata immunità ai disturbi elevata bassa disponibilità limitata elevata costo limitato cresce col n. di bit strumentazione S. appross. controllo Convertitore analogicodigitale Schema di principio di un ס Convertitore per successive approssimazioni ס V in Clock S nucleo base DC 3 s t a t e OEH 8 4 OEL interfaccia di uscita V refin generazione ef V refout del riferimento 19 2 5
Convertitore da esolver a digitale (D674) Caratteristiche tecniche essenziali ס pinout standard industriale risoluzione: 12 bit linearità: 11 bit (T min, T max ) tempo conversione: 15ms offset: ±2LS offset/ T: 1 ppm/ C impedenza ingresso: <7kΩ riferimento tensione interno: si interfaccia bus: 816 bit funzionamento bipolare: si Schema di principio ס V4cosϑ x senφ V4senϑ V4=Vmsenωt x cosφ U/D counter latch φ V4sen(ϑ Φ) VCO Convertitore analogicodigitale Demodulat. 1 1sT1 s 1sT2 sen(ϑ Φ) 21 22 V ref LE LEh Convertitore digitaleanalogico ef 2 2 12 4 8 2 2 Schema 2 I out LElow Moltiplicativo: V ref variabile 4 quadranti: V 1 < V ref < V 2 V out 111 1 glitches in uscita per il caricamento in sequenza del dato µp US a 8 bit 23 Convertitore digitaleanalogico Unica tipologia rete a scala 2 ס Molteplici realizzazioni tecnologiche ס numero di bit 8 24 ingresso digitale parallelo o seriale latch singolo o multiplo uscita analogica corrente o tensione generatore di riferimento interno o esterno convertitore moltiplicativo 24 6
Convertitore digitaleanalogico (DC7545) Caratteristiche tecniche essenziali ס pinout standard industriale risoluzione: 12 bit linearità: ± 2 LS monotonicità: 1 bit uscita: corrente G: ±2 LS G/ T: 5ppm/ C t ass : 2 µs ingresso digitale: latch a 12 bit moltiplicativo: si a 4 quadranti I SENSOI 25 Indice Parte 1 ס Schema generale di una catena di misura ed attuazione Trasduttori, sensori ed attuatori Caratteristica di un trasduttore Parte 2 ס Sensori per grandezze meccaniche posizione, velocità, deformazione, forza, pressione Sensori di temperatura Sensori di corrente Catena di misura ed attuazione Schema funzionale di un controllo digitale ס Calcolatore ttuatore Sp /D I blocchi sono descritti come ס guadagni, f.d.t. G(z) D/ Ka G(S) Sensore Ks Processo 27 28 7
Catena di misura ed attuazione Schema tecnologico di un controllo digitale ס è evidenziata la struttura tecnologica del sistema nello di controllo a loop singolo Unità di controllo digitale 11 D ttuatore Processo Catena di misura ed attuazione Schema tecnologico di un sistema completo ס molti anelli di controllo 11 ttuatori D 11 D 11 D H S 1 N Sensori Sensore Unità di controllo 29 3 Trasduttori, sensori ed attuatori Trasduttore Trasduttore ס attraverso) (dal latino trasducere = condurre ס dispositivo fisico progettato per trasformare grandezze appartenenti ad un sistema energetico in grandezze equivalenti appartenenti ad un diverso sistema energetico Esempi dall esperienza quotidiana ס Energia elettrica Energia luminosa Temperatura Trasduttore Tensione Energia meccanica Energia acustica Energia termica Energia elettrica 31 32 8
Sensore Trasduttore utilizzato per misurare le condizioni ס operative del processo Grandezza in ingresso energia nel dominio fisico di interesse Grandezza in uscita segnale nel dominio fisico dell unità di controllo Tipici domini fisici delle unità di controllo ס elettrico, pneumatico, idraulico Sensore Esempio dall esperienza quotidiana ס Unità di elaborazione Immagine Sensore Segnale 33 34 Sensore Sensore Esempio dall esperienza quotidiana ס Temperatura Indicazione Unità di elaborazione Esempio dall esperienza quotidiana ס Peso Indicazione Unità di elaborazione Sensore Sensore 35 36 9
ttuatore ttuatore Trasduttore utilizzato per trasformare un segnale di ס comando in azione sul processo Funzione complementare a quella del sensore Grandezza in ingresso segnale nel dominio fisico dell unità di controllo Grandezza in uscita energia nel dominio fisico della grandezza di comando Sono spesso realizzati per mezzo di più trasduttori ס Esempio dall esperienza quotidiana ס Unità di elaborazione Segnale ttuatore Energia meccanica 37 38 ttuatore Caratteristica di un trasduttore Esempio dall esperienza quotidiana Segnale meccanico Energia elettrica Trasduttore 1 Trasduttore 2 ttuatore composito Energia meccanica Ym Campo di uscita non linearità sistematica Campo di ingresso Xm Caratteristica ideale lineare Caratteristica ideale non lineare 39 4 1
Caratteristica di un trasduttore Caratteristica di un trasduttore Ym Campo di uscita non linearità sistematica Caratteristica ideale Famiglia di caratteristiche reali Ym Campo di uscita non linearità sistematica Caratteristica ideale Famiglia di caratteristiche reali Curva che meglio approssima Campo di ingresso Xm Campo di ingresso Xm 41 42 Caratteristica di un trasduttore Caratteristica di un trasduttore Ym Campo di uscita non linearità sistematica Importante la non linearità sistematica si può compensare con opportuni algoritmi o circuiti Ym Campo di uscita non linearità casuale Caratteristica ideale Famiglia di caratteristiche reali Campo di ingresso Xm Campo di ingresso Xm 43 44 11
Caratteristica di un trasduttore Caratteristica di un trasduttore Ym Campo di uscita non linearità casuale Caratteristica ideale Caratteristica reale Ym Campo di uscita non linearità casuale Caratteristica ideale Caratteristica reale etta che meglio approssima la caratteristica reale Campo di ingresso Xm Campo di ingresso Xm 45 46 Caratteristica di un trasduttore Caratteristica di un trasduttore Ym Campo di uscita Errore di guadagno K1 Κ K1 K Ym ס Importanti Errore di valori iniziali guadagno si possono compensare con circuiti o via software variazioni K1 Κ con la temperatura K1 1 6 C Campo di uscita K Errore di offset Errore di offset Campo di ingresso Xm Campo di ingresso Xm 47 48 12
Caratteristica di un trasduttore Caratteristica di un trasduttore Ym Campo di uscita Errore di non linearità casuale Ym ס Importanti valori iniziali si compensano variazioni con la temperatura Campo di uscita Errore di non linearità casuale Campo di ingresso Xm Campo di ingresso Xm 49 5 Caratteristica di un trasduttore Ym ס Importanti valore non linearità iniziale sistematica non può compensare variazioni con la temperatura Campo di uscita Errore di non linearità casuale Sensori: classificazione Sensori ad uscita continua ס tutta l informazione viene acquisita Campo di ingresso Xm 51 52 13
Sensori: classificazione Sensori ad uscita continua ס tutta l informazione viene acquisita Sensori: classificazione Sensori autoeccitanti ס non richiedono sorgenti ulteriori di energia Sensori ad uscita logica ס solo una parte dell informazione viene acquisita 53 54 Sensori: classificazione Sensori: alcuni principi fisici utili Sensori autoeccitanti ס non richiedono sorgenti ulteriori di energia Sensori modulanti ס richiedono una sorgente di energia aggiuntiva La grandezza da misurare modula un campo generato esternamente Tx Campo luminoso x 55 Effetto fotoelettrico/fotovoltaico ס trasformazione dei fotoni in cariche elettriche materiali utilizzabili semiconduttori Luce Variazione di conduttività La configurazione interna al silicio e la polarizzazione del circuito determinano l effetto utile esterno (tensione, corrente) 56 14
Sensori: alcuni principi fisici utili (Seebeck) Effetto termoelettrico ס differenza di potenziale generata dalla temperatura materiali utilizzabili coppia di metalli diversi saldati ad un estremo giunzione calda T2 giunzione fredda V = f(t2t1) Sensori: alcuni principi fisici utili Effetto termoresistivo ס variazione della resistività di un materiale causata dalla variazione della temperatura materiali utilizzabili metalli, ossidi metallici, semiconduttori T = f(t) T1 non lineare spesso lineare 57 58 Sensori: alcuni principi fisici utili Effetto piezoresistivo ס variazione della resistività di un materiale causata dalla deformazione materiali utilizzabili metalli, semiconduttori Sensori: alcuni principi fisici utili Effetto Hall ס generazione di una tensione da parte dell azione congiunta di un campo magnetico ed una corrente materiali utilizzabili metalli, semiconduttori H deformazione = f(d) abbastanza lineare Iref Iref Vout = K (H x I) 59 6 15
Sensori per grandezze meccaniche SENSOI PE GNDEZZE MECCNICHE Posizione Potenziometro Trasformatore Differenziale Lineare LVDT esolver Encoder Velocità Dinamo tachimetrica Deformazione Estensimetro Forza e Pressione Estensimetri su strutture meccaniche 62 Potenziometro Sensore di posizione ס Grandezza misurata (ingresso) rotazione o spostamento lineare Grandezza di uscita tensione Tipo di sensore modulante Sensore modulante Potenziometro Caratteristiche essenziali ס isoluzione: >.1% Linearità: >.1% esistenza: 1K 1K Ω Numero di giri: 1 1 Problemi di inerfacciamento ס Tensione di riferimento autoriscaldamento impedenza di uscita interfacciamento disturbi elettromagnetici Vref Vout 63 64 16
Trasformatore Differenziale Lineare LVDT Sensore di posizione ס Grandezza misurata (ingresso) spostamento Grandezza di uscita segnale analogico modulato Tipo di sensore modulante (campo magnetico) sensore (coppia di avvolgimenti) X> V1 Trasformatore Differenziale Lineare LVDT S1 Vin=Vm sin ωt S2 sensore modulante X< V2 Vout = (V2 V1) = Vm(X) sin (ωt ϕ) ϕ = se X> ϕ = π se X< 65 66 Trasformatore Differenziale Lineare LVDT sensore modulante Vout = (V2 V1) = Vm(X) sin (ωt ϕ) Caratteristiche essenziali ס ϕ = se X> isoluzione: 2 2µm (lineare) ϕ = π se X< Sensibilità: 5 1mVout/(mmVin) Linearità:.1.5 % Campo di misura: 1 1 cm Frequenza di ecc.: 1 5 Khz Problemi di interfacciamento ס demodulazione dell uscita stabilità del generatore di riferimento esolver Sensore di velocità/posizione ס Grandezza misurata (ingresso) rotazione Grandezza di uscita segnale analogico modulato Tipo di sensore modulante (campo magnetico) sensore (coppia di avvolgimenti) 67 68 17
esolver esolver Principio di funzionamento ס Generatore flusso concatenato ϑ flusso Sensore V= dφc dt V se Φc varia Schema di massima di esolver con 2 poli ס Generatori V3 Generatori di riferim. V3=Vmsenωt V4=Vmsenωt Sensori V1=V3cosϑ V4senϑ V2=V4cosϑ V3senϑ In un esolver reale il campo è generato da due avvolgimenti e vi sono due sensori 69 V4 V2 V1 ivelatori se V3= V1=Vmsenϑsenωt V2=Vm Vmcosϑsenωt 7 esolver: caratteristiche generali Segnale di uscita tensione alternata modulata in ampiezza dalla posizione occorre demodulare ricavare ϑ da sen ϑ e cos ϑ Due segnali modulati in quadratura possibilità di ricostruire la posizione su tutti i 36 semplificazione dell inversione delle funzioni trigonometriche esolver: caratteristiche generali ealizzazione schematica di un esolver per misura di posizione primario rotante Vr Vs1 secondari fissi assi magnetici in quadratura Vs2 3 avvolgimenti: 1 sola eccitazione 2 uscite 71 72 18
esolver: caratteristiche generali esolver Caratteristiche tecniche essenziali linearità:.1.5% risoluzione:.1.5 sensibilità: 5 1mV/ (Vref=2V) Frequenza tensione di riferimento: 1 2Khz Per l acquisizione e la conversione digitale convertitore speciale (TD) ealizzazioni con 2P poli maggiore risoluzione misura assoluta su 1/P di giro 73 Pregi sensore assoluto nel giro (elettrico se realizzato con più coppie polari) costo contenuto rispetto ad altri sensori (Encoder) idoneo al funzionamento in ambienti ostili all interno di motori Difetti richiede una tensione di riferimento sinusoidale uscita funzione non lineare della posizione spazzole sul rotore nelle versioni standard Sensore di posizione/velocità standard negli azionamenti per motori sincroni (rushless) 74 esolver esolver Errori Dinamici Misura di posizione in movimento ס Errori dinamici la rotazione genera tensioni di uscita spurie che possono degradare la qualità della ϑ( t) misura = ϑ αt Ipotesi rotazione a velocità costante Tensione rotore di e eccitazione statore puramente induttivi Vr = Vmsinωt K ϕr = Vm cosωt Flusso di eccitazione ω flussi concatenati di statore Tensione di eccitazione Flusso di eccitazione K ϕcs1 = Vm cosωtcos( ϑ αt) ω K ϕcs2 = Vm cosωtsin( ϑ αt) ω Vr = Vmsinωt K ϕr = Vm cosωt ω 75 76 19
flussi concatenati di statore tensione di statore tensione di statore esolver Errori Dinamici errore dinamico errore dinamico K ϕcs1 = Vm cosωtcos( ϑ αt) ω K ϕcs2 = Vm cosωtsin( ϑ αt) ω dϕ V cs1 s1 = = KVmsinωtcos( ϑ αt) dt α Vm cosωtsin( ϑ αt) ω dϕ V cs2 s2 = = KVmsinωtsin( ϑ αt) dt α Vm cosωtcos( ϑ αt) ω 77 esolver Errori Dinamici Per ridurre gli effetti degli errori dinamici ס frequenza di eccitazione maggiore per velocità di rotazione elevate demodulazione sensibile alla fase della portante tensione di statore tensione di statore errore dinamico errore dinamico dϕ V cs1 s1 = = KVmsinωtcos( ϑ αt) dt α Vm cosωtsin( ϑ αt) ω dϕ V cs2 s2 = = KVmsinωtsin( ϑ αt) dt α Vm cosωtcos( ϑ αt) ω 78 esolver Errori Dinamici esolver Errori Dinamici Per ridurre gli effetti degli errori dinamici ס frequenza di eccitazione maggiore per velocità di rotazione elevate demodulazione sensibile alla fase della portante segnale utile Per ridurre gli effetti degli errori dinamici ס frequenza di eccitazione maggiore per velocità di rotazione elevate demodulazione sensibile alla fase della portante demodulazione del valore di cresta segnale utile segnale spurio segnale spurio 79 8 2
esolver Errori Dinamici Encoder Per ridurre gli effetti degli errori dinamici ס frequenza di eccitazione maggiore per velocità di rotazione elevate demodulazione sensibile alla fase della portante demodulazione a valor medio nel semiperiodo segnale utile Sensore di velocità/posizione ס Grandezza misurata (ingresso) rotazione o spostamento rettilineo Grandezza di uscita segnale logico o numero digitale Tipo di sensore modulante = campo luminoso sensore = effetto fotoelettrico segnale spurio 81 82 Encoder Encoder rotativo assoluto Principio di funzionamento ס Interferente Lampada Campo Grandezza di uscita ס valore digitale ad n bit misura di posizione assoluta in un giro Disco interferente codificato 4 bit Collimatore Fotosensore 4 bit 83 84 21
Encoder rotativo assoluto Encoder rotativo incrementale Pregi ס uscita direttamente utilizzabile dalla unità di elaborazione non necessita di azzeramento (sensore assoluto) mantiene l informazione di posizione anche in assenza di alimentazione Difetti ס costo elevato costo crescente con la risoluzione il numero di bit utilizzati per la codifica (<12/14) sensore assoluto nel giro elettronica esterna se utilizzato su più giri Grandezza di uscita ס sequenza di impulsi misura di rotazione incrementale codificatore a 1 bit zero 3 85 86 Encoder rotativo incrementale iga ottica lineare Pregi ס costo contenuto incremento di costo limitato con la risoluzione standard fino 5 impulsi/giro Difetti ס sensore incrementale elettronica esterna di conteggio e discriminazione del verso di rotazione necessita di azzeramento (sensore incrementale) perde l informazione di posizione in assenza di alimentazione Sensore di posiz./velocità standard industriale ס Sensore per spostamenti lineari realizzato come l Encoder incrementale ma con geometria lineare barra rettilinea disco stesse caratteristiche Caratteristiche standard lunghezza anche maggiore di 1 metro fotoelementi precisione dell ordine di qualche µm 87 88 22
Encoder incrementali Segnali di uscita ס 2 segnali in quadratura 1 segnale di zero servono per discriminare il verso di rotazione Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione ס rotazione oraria: precede 1/4P passo P fotoelementi 89 9 Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione ס rotazione oraria: precede Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione ס rotazione oraria: precede fotoelementi fotoelementi 91 92 23
Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione ס rotazione oraria: precede Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione ס rotazione oraria: precede fotoelementi fotoelementi 93 94 Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione ס sul fronte di salita di il segnale è sempre Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione ס rotazione antiorariaoraria: segue passo P fotoelementi fotoelementi 95 96 24
Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione ס rotazione antioraria: segue Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione ס rotazione antioraria: segue fotoelementi fotoelementi 97 98 Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione ס rotazione antioraria: segue Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione ס rotazione antioraria: segue fotoelementi fotoelementi 99 1 25
Encoder incrementali Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione ס sul fronte di salita di il segnale è sempre 1 Moltiplicazione degli impulsi ס x2 ttenzione aumenta la risoluzione (x2 o x4) non aumenta altrettanto la precisione fotoelementi x4 11 12 Encoder incrementali Circuiti per la moltiplicazione degli impulsi ס x2 x2 M1 M2 x4 XO NOT x2 x2 Mono stabile Mono stabile M1 O M2 circuito moltiplicatore per 4 Encoder incrementali Interfaccia di acquisizione Funzioni svolte discriminazione verso moltiplicazione X 2 impulsi accumulo o Clkposizione assoluta X 4 U/D O 13 14 26
Sensori per grandezze meccaniche Posizione Encoder esolver LVDT Velocità Dinamo tachimetrica Deformazione Estensimetro Forza e Pressione Estensimetri su strutture meccaniche Dinamo tachimetrica Sensore di velocità ס Motore a collettore usato a rovescio se fatto ruotare genera una tensione Grandezza misurata (ingresso) velocità angolare Grandezza di uscita tensione Tipo di sensore autoeccitante 15 16 Dinamo tachimetrica Principio di funzionamento ס N ϑ V=KdΦc dt S Dinamo tachimetrica Pregi ס sensore assoluto costo contenuto idoneo al funzionamento in ambienti ostili all interno di motori Difetti ס contatti striscianti ripple strutturale sull uscita misura solo la velocità 17 18 27
Dinamo tachimetrica Caratteristiche tecniche essenziali ס linearità:.5 1% sensibilità: 5 1V/1 rpm ampiezza del ripple: 1 2% Sensore di velocità standard negli azionamenti per ס motori a collettore Sensori per grandezze meccaniche Posizione Encoder esolver Velocità Dinamo tachimetrica Deformazione Estensimetro Forza e Pressione Estensimetri su strutture meccaniche 19 11 Estensimetro Estensimetro o Strain gage Grandezza misurata deformazione Grandezza in uscita resistenza Tipo di sensore autoeccitante piezoresisitivo Per la misura circuito per la trasformazione in una tensione Strain ε = L/L = deformazione relativa ס ε adimensionale 1mm a film metallico più comune a semiconduttore per applicazioni integrate.5mm piezoresistenza 111 112 28
Estensimetro Estensimetro Trasformazione della variazione di resistenza in tensione 1 estensimetro deformato Trasformazione della variazione di resistenza in tensione 4 estensimetri deformati 1 4 Vref 2 3 Vout ponte intero di Wheatstone Vout = Vref 2 2 1 = Vref Vref 4 4 1 2 se << 1 113 1 4 Vref 2 3 Vout ponte intero di Wheatstone Vout = Vref 2 2 = Vref relazione lineare 114 Estensimetro Gage factor ס fattore caratteristico di ogni estensimetro GF = L L = ε V 1 = out V ε ref V 1 ε = out = KV V GF out ref misura raziometrica strain se ho 4 estensimetri identici deformati 115 Estensimetro Caratteristiche tecniche essenziali Caratteristiche tecniche essenziali parametro film metallico semiconduttore GF 2 ± 1% 1 ±3% nom( Ω) 12, 35 molti valori / T(p.p.m / C) 5 5 1 5 linearità dipende dall allestimento meccanico E possibile adattare / T al tipo di materiale di supporto per compensare le deformazioni apparenti dovute agli effetti termici combinati 116 29
Sensori per grandezze meccaniche Posizione Encoder esolver Velocità Dinamo tachimetrica Deformazione Estensimetro Forza e Pressione Estensimetri su strutture meccaniche Forza Estensimetri incollati su una struttura metallica che si deforma con l applicazione della forza F 3 2 3 4 1 2 4 1 F deformazione assiale deformazione flessionale 117 118 Forza Pressione Caratteristiche tecniche essenziali sull uscita del ponte estensimetrico sensitività: 2mV/V a 1µε uscita: 2µV/µε nonlinearità: <.5% I valori in forza e la linearità dipendono dal materiale di supporto P Sensore integrato a semiconduttore ס ef mp membrana silicio piezoresistivo acciaio circuiti elettronici di condizionamento sul sensore 119 12 3
Pressione Caratteristiche tecniche essenziali all uscita del circuito elettronico di compensazione sensitività: <1% offset: <1% nonlinearità: <.5% derive termiche: <.5% errore totale: <1.5% SENSOI LOGICI 121 Sensori di prossimità Sensori di prossimità Sensori ad uscita logica ס per la misura della presenza di persone o cose sensori modulanti campo magnetico campo luminoso campo acustico Magnetici ס Contatto eed materiale paramagnetico a bassa riluttanza lega Ferro/Nickel ampolla sotto vuoto Generatore di campo Sensore mplificatore ivelatore di soglia 123 124 31
Sensori di prossimità Sensori di prossimità Magnetici ס Contatto eed materiale paramagnetico a bassa riluttanza lega Ferro/Nickel indotti ampolla sotto vuoto S N S N S N Magnetici ס Effetto Hall azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall Diverse configurazioni ס G Dist. out Dist. N S 125 126 Sensori di prossimità Sensori di prossimità Magnetici ס Effetto Hall azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall Diverse configurazioni ס G out Magnetici ס Effetto Hall azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall Diverse configurazioni ס G out N Dist. S Dist. N Dist. S Dist. 127 128 32
Sensori di prossimità Sensori di prossimità Magnetici ס Effetto Hall azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall Diverse configurazioni ס G out Magnetici ס Effetto Hall azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall Diverse configurazioni ס G out Dist. Dist. Dist. Dist. N S N S 129 13 Sensori di prossimità Sensori di prossimità Magnetici ס Effetto Hall azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall Uscita Glineare ס G Magnetici ס Effetto Hall azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall Elevata G precisione ס Dist. Dist. Dist. S N S N N S N 131 132 33
Sensori di prossimità Sensori di prossimità Magnetici ס Effetto Hall azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall Contagiri G ס G N S N Dist. S N N S Dist. 133 Magnetici ס induttivi interazione di un oggetto metallico con un campo magnetico alternato la presenza dell oggetto metallico altera la frequenza dell oscillazione un filtro passabasso opportunamente tarato trasforma la variazione di frequenza in una variazione di ampiezza oscill. solenoide 134 Sensori di prossimità Sensori di prossimità Ultrasuoni ס ritardo di riflessione di un treno di impulsi acustici ad alta frquenza rileva oggetti di qualunque materiale, purchè rifletta il suono Optoelettronici ס interferenza dell oggetto con un campo luminoso rileva oggetti di qualunque materiale, purchè rifletta/interrompa il fascio luminoso ad interferenza ס CPU Trasmettitore Tx x icevitore 135 136 34
Sensori di prossimità Sensori di prossimità Optoelettronici ס interferenza dell oggetto con un campo luminoso rileva oggetti di qualunque materiale, purchè rifletta/interrompa il fascio luminoso ad interferenza ס Optoelettronici ס interferenza dell oggetto con un campo luminoso rileva oggetti di qualunque materiale, purchè rifletta/interrompa il fascio luminoso a riflessione ס Tx x Tx x 137 138 Sensori di prossimità Optoelettronici ס interferenza dell oggetto con un campo luminoso rileva oggetti di qualunque materiale, purchè rifletta/interrompa il fascio luminoso a riflessione ס Tx x SENSOI DI TEMPETU E COENTE 139 35
Pro Con tro V T autoeccitante semplice robusto poco costoso non lineare bassa Vout temp. di riferim. bassa sensitività Sensori di Temperatura Termocoppie TD Termistori Sensori a c.i. V I molto stabile molto accurato molto lineare costoso rifer. di corrente bassa resist. autoriscald. T T T molto sensibile veloce misura a 2 fili non lineare range limitato rifer. di corrente autoriscald. molto lineare output elevato poco costoso T<2 C serve aliment. lento autoriscald. 141 Termocoppia Grandezza misurata differenza di temperatura Grandezza in uscita tensione Tipo di sensore autoeccitante termoelettrico non linearità sistematica compensazione con tabelle o polinomi interpolanti 142 Termocoppia Effetto Seebeck ס Coppie metalliche standard ס J ferro/costantana K NiCr/Ni Cr/Nil (cromel/alumel) E cromel/costantana T rame/costantana platino/ptrodio giunz. calda giunzione fredda T2 T1 V = f(t2t1) non lineare Termocoppia Caratteristiche tecniche principali ס J K E T T min C 2 2 2 T max C 75 125 9 35 145 V max mv 42.25 5.63 68.78 17.81 16.74 Errore C 2.2 2.2 1.7.8 1.4 le Vmax sono riportate ipotizzando la giunzione di riferimento a C 143 144 36
Termocoppia Termocoppia Giunzione esposta Principali forme costruttive Giunzione protetta isolata Giunzione protetta a massa 145 Pregi autoeccitante costo contenuto idoneo al funzionamento in ambienti ostili idoneo a misurare temperature molto elevate Difetti uscita non lineare con Temperatura tabella o polinomio interpolante richiede la compensazione del giunto freddo segnali molto bassi Sensore di temperatura standard nelle applicazioni ad altissima temperatura basso costo, anche domestiche 146 Termocoppia Termocoppia Problemi di interfacciamento ס giunzioni parassite dovute ai collegamenti compensazione della temperat. del giunto freddo egola empirica Cu Fe C Cu C T T Cu Fe Fe Forno Cu Fe Fe Forno Vm Cu V 2 V 3 T amb collegamento V m = V1 V2 V3 V 1 Costantana T 1 Vm Cu V 2 V 3 T amb collegamento V m = V1 V2 V3 V 1 Costantana T 1 147 148 37
Termocoppia Termocoppia egola empirica Cu Fe C Cu C T T V4 Vm = V1 V2 V 3 V4 = V1 V4 tensione generata da una termocoppia del tipo di quella di misura a temperatura Tref Cu Fe Fe Forno Cu Fe Fe Forno Vm V 2 V 3 T ref V 4 collegamento V 1 T 1 Vm V 2 V 3 T ref V 4 collegamento V 1 T 1 Cu Fe C Costantana Cu Fe C Costantana Vm = V1 V2 V3 V4 se barriera isoterma V 2 = V 3 149 15 Termocoppia Termocoppia Vref Vm Cu Cu Vm = V1 Vref V1 = Vm Vref tensione generata da una termocoppia del tipo di quella di misura a temperatura Tref Fe T ref Vref Fe se barriera isoterma C collegamento V 2 = V 3 Fe V 1 Costantana Forno T 1 Scheda di acquisizione sensore di Tref Fe Tref V 1 Terminazione isoterma Cavo speciale di collegamento Costantana Forno materiali a basso effetto Seebek con quelli della Termocoppia di misura T 1 151 152 38
Termocoppia lgoritmo di compensazione giunto freddo si misura Tref con un sensore a semiconduttore si converte la Tref in una tensione equivalente Vref mediante la tabella (o polinomio) della termocoppia di misura alla tensione misurata Vm si somma Vref ricavata dalla tabella per trovare la tensione equivalente V1 della termocoppia di misura con giunzione fredda a C si converte la tensione V1 nella corrispondente temperatura mediante la tabella (o il polinomio) misura di temperatura (alta) ottenuta mediante un altra misura di temperatura (bassa) più semplice perchè a valori prossimi a Tamb 153 Termoresistenza Grandezza misurata temperatura Grandezza in uscita variazione di resistenza Tipo di sensore modulante termoresistivo ichiede un circuito per la trasformazione della resistenza in tensione 154 Termoresistenza Termoresistenza Denominazione tecnica ס TD esistance Temperature Detector ealizzazione tecnologica ס materiale di supporto ceramica 2 < T < 75 C vetro 2 < T < 5 C materiale termoresisitivo platino α =.38Ω/Ω/ C a filo avvolto realizzazione standard film spesso sostituzione più veloce film sottile piccolo, rapidissimo 155 Caratteristiche tecniche principali ס nom @ ºC Ω 1 1 1 3 1 1 Offset %.1.1.1 nonlin %.6.6.6 τ (aria) s 5 15 1 2 3 1 size l x Φ filo film spe. film sot. mm 25x5 25x1.5 1x1 156 39
Termoresistenza Pregi idoneo al funzionamento in ambienti ostili molto lineare dimensioni anche molto ridotte elevata velocità di risposta costo contenuto Difetti richiede circuito di alimentazione temperature max più bassa di termocoppia Sensore di temperatura standard nelle applicazioni a temperatura intermedia elevata accuratezza Termoresistenza Dispositivo standard Pt 1 ס Termoresistenza al Platino valore nominale 1 Ω a C coefficiente di Temperatura:.392 (Ω/Ω/ C) variazione di.392ω per ogni C campo di applicazione: 2 85 C ottima linearità 157 158 Termoresistenza Circuito di eccitazione ס metodo volt/ampermetrico 4 fili per una migliore accuratezza soluzione generale Iref Vm I= Pt1 Termoresistenza Circuito di eccitazione ס ponte di Wheatstone 3 fili per una migliore accuratezza solo per piccole variazioni di temperatura Vref 1 I parassite 4 dei collegamenti I I= Nel forno 2 3 Vm I= Nel forno 159 16 4
Sensore di corrente isolato ad EffettoHall Grandezza misurata corrente Grandezza in uscita 2 realizzazioni tensione isolata corrente di minore intensità ed isolata Tipo di sensore modulante effetto Hall Sensore di corrente isolato ad EffettoHall Caratteristiche essenziali ס Campo di misura 1 1 Linearità migliore dell 1% Isolamento >15V isposta in frequenza >1Khz Costo contenuto 161 162 Sensore di corrente isolato ad EffettoHall Sensore di corrente isolato ad EffettoHall Pregi idoneo alla misura su Inverter di potenza molto lineare dimensioni anche molto ridotte elevata velocità di risposta costo contenuto Difetti richiede circuito di alimentazione Sensore di corrente standard nella misura di correnti > 5 elevata accuratezza ealizzazione in catena aperta ס Iref Im Vout Vout = (K*Iref)*Im 163 164 41
Sensore di corrente isolato ad EffettoHall ealizzazione in retroazione ס n2 I2 I1 n1 Iref V G Iout = n1/n2 I1 Vout= Iout Vout n1 = numero di avvolgimenti del cavo di misura. Di solito 1 n2 = numero di spire del secondario. Di solito 1/2 165 42