Introduzione. Ing. Antonio Coppola 2

Introduzione Il sensore o trasduttore, è un dispositivo essenziale di un sistema di controllo o di acquisizione dati. Si pensi, ad esempio al sistema di controllo della temperatura dell'acqua all'interno di un radiatore e/o del motore di una automobile, della pressione all'interno di una caldaia e dell'umidità in una serra. Ing. Antonio Coppola 2

Introduzione TRASDUTTORE Circuito di Convertitore (Sensore) condizionamento A/D up Ing. Antonio Coppola 3

Grandezze fisiche Le grandezze fisiche da controllare sono rilevate da dispositivi atti a fornire in uscita una grandezza elettrica (resistenza R, induttanza L, capacità C, tensione V, corrente I, ecc.) proporzionale al valore della grandezza rilevata. Poiché il segnale d'uscita dal trasduttore non può essere direttamente utilizzato, è necessario manipolarlo in modo da adattarlo alle caratteristiche dei circuito al quale deve essere applicato. In un sistema di controllo a microprocessore, ad esempio, il segnale rilevato dal trasduttore deve essere convertito in un segnale digitale (codice numerico) compatibile affinché possa essere acquisito ed eventualmente elaborato dal microprocessore come in figura. Ing. Antonio Coppola 4

Circuito di condizionamento Il circuito di condizionamento (o di interfacciamento) interposto tra il trasduttore ed il convertitore A/D, adatta il segnale d'uscita del trasduttore alle caratteristiche dei segnale d'ingresso dei convertitore A/D e svolge le seguenti funzioni: converte la grandezza fisica rilevata dal trasduttore in un segnale in tensione (conversione temperatura/tensione, pressione/tensione, forza/tensione, ecc.); modifica la pendenza della caratteristica ingresso/uscita dei sensore quando la grandezza d'uscita decresce all'aumentare della grandezza rilevata (caratteristica ingresso/uscita crescente); fornisce un segnale d'uscita direttamente proporzionale a quello applicato all'ingresso quando la caratteristica dei trasduttore non è lineare (linearizzazione della caratteristica ingresso/uscita); Ing. Antonio Coppola 5

Circuito di condizionamento fornisce una tensione d'uscita uguale a zero Volt quando il segnale d'uscita dei trasduttore ha ampiezza minima (regolazione dell'offset); amplifica il segnale d'uscita dei trasduttore in modo che il valore massimo sia compatibile con il segnale d'ingresso dei convertitore A/D (regolazione del fattore di scala); limita la larghezza di banda dei segnale d'uscita dei trasduttore (limitazione della larghezza di banda); opera una separazione galvanica tra il circuito del trasduttore e quello d'acquisizione. Tale funzione è necessaria in applicazioni elettromedicali per motivi di sicurezza. Ing. Antonio Coppola 6

Trasduttori analogici I trasduttori analogici sono dispositivi la cui grandezza d'uscita varia con continuità in funzione della grandezza d'ingresso. La tensione d'uscita di un trasduttore di temperatura, ad esempio, assume tutti i valori appartenenti ad un sottoinsieme dei numeri reali compresi tra un valore minimo ed un valore massimo (0 V -- 5 V). Ing. Antonio Coppola 7

Trasduttori analogici In realtà le grandezze fisiche rilevate sono analogiche (temperatura, pressione, luminosità, umidità relativa, velocità ecc.). I segnali analogici presentano generalmente una risoluzione molto bassa, in quanto una infinitesima variazione della grandezza controllata produce una variazione percettibile sull'uscita dei trasduttore e non possono essere interfacciati direttamente con sistemi a microprocessore, ma possono essere direttamente utilizzati nei controlli di processo di tipo analogico. I segnali digitali invece sono artificiali, nel senso che sono prodotti dall'uomo per esígenze industriali, come quello prodotto da una lamina bimetallica, da un relè reed (ON-OFF) o da un codificatore ottico (treno d'impulsi), ecc. Ing. Antonio Coppola 8

Sensori di temperatura La maggior parte dei sensori e dei trasduttori di temperatura, molto utilizzati sia in ambito industriale che in quello della ricerca sono dispositivi analogici in quanto sia la temperatura che la grandezza elettrica da essi fornita varia in continuità. Ing. Antonio Coppola 9

Sensori di temperatura La scelta di un trasduttore di temperatura deve essere vagliata con la massima cura: è necessario conoscere tutti i dati relativi alle condizioni ambientali in cui il trasduttore dovrà operare, i valori di temperatura che dovrà rilevare, la precisione che dovrà mantenere nel corso dei suo esercizio. Ing. Antonio Coppola 10

Sensori di temperatura Un ottimo sensore deve possedere le seguenti caratteristiche: elevata sensibilità; uscita lineare crescente; stabilità di funzionamento nel tempo; facile adattabilità alle esigenze dì una specifica applicazione. Ing. Antonio Coppola 11

Sensori di temperatura Nella figura sono riportate le curve caratteristiche di alcuni sensori a variazione di resistenza. Si osserva che le termoresistenze presentano una caratteristica lineare in un ampio range dei campo di funzionamento e pertanto non necessitano dei circuito di linearizzazione Ing. Antonio Coppola 12

Sensori di temperatura Ing. Antonio Coppola 13

Il trasduttore PT100 (RTD) Il trasduttore PT 100 o termoresistenza RTD è una resistenza di precisione il cui valore R è funzione della temperatura. E costituito da una pellicola di platino ed è molto utilizzato in ambito industriale per l'elevato range di funzionamento, per la robustezza, per l'economicità e per le dimensioni contenute. La sottilissima lamina al platino, disposta su un supporto di allumina, è tarata con raggio laser. Ing. Antonio Coppola 14

Il sensore PT100 (RTD) Se il campo di utilizzazione della temperatura da rilevare è limitato, la legge di variazione della resistenza RT dei sensore in funzione della temperatura è lineare: dove: R T è il valore della resistenza alla temperatura generica T; R o è il valore nominale della resistenza alla temperatura di 0 C (in commercio esistono termoresistenze con valori nominali diversi); α = 3,85 10-3 è il coefficiente medio ed ha le dimensioni di [ C -l]. Ing. Antonio Coppola 15

Il sensore PT100 (RTD) Quando il range di funzionamento è molto esteso, la legge di variazione della resistenza RT in funzione della temperatura T non è più lineare e pertanto i circuiti di utilizzazione necessitano di sistemi di linearizzazione. Nella tabella sono riportati i valori della resistenza in funzione della temperatura T della termoresistenza PT 100. Ing. Antonio Coppola 16

Il sensore PT100 (RTD) Ing. Antonio Coppola 17

Il sensore PT100 (RTD) Le variazioni di resistenza del sensore, dovute alle variazioni di temperatura, possono essere convertite in tensione con: generatori di corrente costante; ponti resistivi (ponte di Wheatstone). Ing. Antonio Coppola 18

Termocoppie Le termocoppie sono trasduttori di temperatura frequentemente utilizzate in ambito industriale perché non richiedono circuiti di alimentazione. Sono dispositivi robusti, offerti in un gran numero di versioni differenti per struttura meccanica e per caratteristiche. Ing. Antonio Coppola 19

Termocoppie Il principio di funzionamento di una termocoppia è basato principalmente sull'effetto Seebeck secondo cui due metalli omogeneí, chimicamente diversi e saldati alle loro estremità, danno origine ad una corrente di debole intensità (termocorrente) quando le due saldature (giunti) sono mantenute a temperature diverse. Ing. Antonio Coppola 20

Termocoppie Ing. Antonio Coppola 21

Termocoppie Se si apre una saldatura della termocoppia e si collega un voltmetro ad alta impedenza agli estremi liberi, la f.e.m. misurata è (fig. 1.1.27): dove: V= α (T C - T F ) T C è la temperatura dei giunto caldo J C ; T F è la temperatura dei giunto caldo J F ; α è il coefficiente di proporzionalità di Seebeck [ V/ C ] Ing. Antonio Coppola 22

Termocoppie In particolare se è T F = 0 C la tensione misurata è direttamente proporzionale alla temperatura T C dei giunto caldo. Si ha V C = α T C Poiché il coefficiente α non è costante con la temperatura, anzi presenta una caratteristica non lineare, i costruttori forniscono tabelle nelle quali sono riportate le f e.m. generate dai tipi di termocoppie in funzione della temperatura di lavoro come in tabella. Ing. Antonio Coppola 23

Termocoppie I materiali più comunemente impiegati per la realizzazione delle termocoppie riferiti al campo di lavoro, alla sensibilità ed al tipo sono riportati nella tabella. Poiché la f.e.m. misurata dipende dalle temperature delle giunzioni della termocoppia e da quelle delle giunzioni dovute ai cavetti di collegamento, è necessario annullare la f.e.m. generata dal giunto J R vedi figura. Ing. Antonio Coppola 25

Termocoppie Si consideri infatti una termocoppia di tipo T collegata ai morsetti di un voltmetro con fili di rame (fig. 1.1.29). Il giunto rame - rame dovuto al cavo di collegamento non ha alcun effetto perché è costituito da metalli di uguale natura. Il giunto J R, invece, genera una f.e.m. VR in opposizione alla f.e.m. V C generata dalla termocoppia di tipo T La f.e.m. VAB misurata dal voltmetro è: Ing. Antonio Coppola 27

Termocoppie Se il giunto J R è posta in un bagno di ghiaccio fondente a temperatura di 0 C (vaso Dewar), la f.e.m. V AB è proporzionale solo alla temperatura T C dei giunto caldo e la formula diviene VAB = α T C Ing. Antonio Coppola 28

Termocoppie Poiché nelle applicazioni pratiche è impossibile utilizzare un bagno di ghiaccio fondente, è necessario ricorrere ad un blocco isotermico elettronico che sia in grado di compensare la f.e.m. dei giunto di riferimento (fig. 1.1.29). Il dispositivo è costituito essenzialmente da una termoresistenza RT disposta su un ramo di un ponte di Wheatstone in modo da generare una tensione Vw dipendente dalla temperatura cui è sottoposto il blocco isotermico. La caratteristica resistenza/tensione della termoresistenza RT deve essere lineare e crescente. Ing. Antonio Coppola 29

Termocoppie Considerando che la f e.m. VAB misurata senza il blocco isotermico risulta: VAB = α (TC - TR) ; V AB = V C - V R Ing. Antonio Coppola 31

Termocoppie E necessario che la tensione V W sia uguale ed opposta a quella di riferimento V R. In tal modo la tensione di sbilanciamento dei ponte V W annulla quella dei giunto di riferimento e la tensione V AB è proporzionale solo alla temperatura T C dei giunto caldo. La variazione della temperatura di riferimento, infatti, provoca una variazione della termoresistenza R T e della tensione V W di sbilanciamento del ponte tale da annullare la f e.m. V R di riferimento per qualsiasi valore della temperatura. Ing. Antonio Coppola 32

Termocoppie (OTD) La rilevazione delle termocoppie aperte è particolarmente critica nei sistemi con un numero elevato di termocoppie. Le termocoppie tendono a rompersi o aumentare il loro valore di resistenza se esposte alle vibrazioni, ad un non corretto handling ed dopo un lungo tempo di servizio. Un circuito di OTD (Open Thermocouple Detection) della termocoppia contiene un piccolo condensatore disposto in parallelo alla termocoppia nel quale iniettare una corrente di piccolo valore. Ing. Antonio Coppola 33

Termocoppie (OTD) L'impedenza bassa della termocoppia intatta presenta un cortocircuito virtuale attraverso il condensatore in modo che il condensatore non possa caricarsi. Ma quando una termocoppia si apre o cambia la resistenza in modo significativo, il condensatore si carica e la lettura della termocoppia finisce ai valori massimi del convertitore A/D, indicando una termocoppia difettosa. Ing. Antonio Coppola 34

Trasduttori di forza (celle di carico) Gli estensimetri sono utilizzati per le misure (gauge) di deformazioni, di forze e di peso perché essi subiscono una variazione di resistenza o di tensione quando sono sottoposti a forze di trazione, di compressione o di torsione. L'intensità della sollecitazione (strain) deve essere contenuta nel limite della validità della legge di Hooke (deformazione elastica). Ing. Antonio Coppola 35

Trasduttori di forza (celle di carico) Gli estensimetri possono classificarsi in: estensimetri filiformi metallici o a strato metallico realizzati con materiale metallico filiforme (costantana, platino, nichel-cromo, ecc.) e variano la loro resistenza al variare delle dimensioni sia di lunghezza che di sezione; Ing. Antonio Coppola 36

Trasduttori di forza (celle di carico) estensimetri piezoresistivi realizzati con semiconduttori drogati di tipo p o n. Hanno una sensibilità maggiore di quella degli estensimetri metallici e basano il loro funzionamento sulla variazione della resistenza del materiale al variare delle dimensioni; Ing. Antonio Coppola 37

Trasduttori di forza (celle di carico) estensimetri piezoelettrici realizzati con cristalli di quarzo che generano una variazione di tensione quando sono sottoposti a sollecitazione di natura meccanica e risultano particolarmente adatti per il rilievo di sollecitazioni meccaniche variabili nel tempo. Gli estensimetri piezoelettrici, inoltre, integrano su un unico chip l'elemento semiconduttore sensibile, l'amplificatore, il circuito di linearizzazione e quello di compensazione Ing. Antonio Coppola 38

Trasduttori di forza (celle di carico) Estensimetri metallici Un estensimetro metallico, costituito da un filo metallico (costantana) di lunghezza l, sezione trasversale S e resistività ρ, subisce un aumento della lunghezza (l + l) ed una diminuzione della sezione (S- S) quando è sottoposto a trazione. Nell'ipotesi che la resistività p dei filo non subisca variazioni e considerato che la sua resistenza nominale è R= ρ l/s si dimostra che la variazione relativa della resistenza è: Ing. Antonio Coppola 39

Trasduttori di forza (celle di carico) dove: R/R è la variazione relativa della resistenza dell'estensimetro; µ è un coefficiente di valore compreso tra 0,25 < µ < 0,5; (1 + 2µ) è una costante; l/ I è la variazione relativa della lunghezza del filo; R è la resistenza nominale dei filo. Ing. Antonio Coppola 40

Trasduttori di forza (celle di carico) Un estensimetro a filo, avente una sezione di qualche centesimo di millimetro quadrato e lunghezza elevata, ha una resistenza R dell'ordine dei centinaio di Ohm e può subire variazioni R della resistenza apprezzabili quando è sottoposto a sollecitazioni. Generalmente il filo conduttore è ripiegato in modo da formare una griglia ed è incollato su un piccolo supporto che, a sua volta, è ancorato sul provino di cui si desidera misurare la deformazione. Ing. Antonio Coppola 41

Trasduttori di forza (celle di carico) Ing. Antonio Coppola 42

Trasduttori di forza (celle di carico) Il rapporto tra la variazione relativa della resistenza e la variazione relativa della lunghezza dei filo è il fattore di trasduzione o fattore di amplificazione G F : Ing. Antonio Coppola 43

Trasduttori di forza (celle di carico) Si tenga presente che le misure sono corrette solo quando l'estensimetro è incollato sul provino in modo che la direzione dell'allungamento coincida con le linee di scorrimento. Per rilevare le sollecitazioni torsionali su un albero in rotazione, ad esempio, sono necessari due trasduttori disposti a 45 ed orientati nelle direzioni delle linee di massimo scorrimento. Ing. Antonio Coppola 44

Trasduttori di forza (celle di carico) Si dimostra che la variazione relativa di lunghezza dei filo è proporzionale alla sollecitazione unitaria σ (rapporto tra la forza e la superficie): l/l=σ/e σ=f/s è la sollecitazione unitaria E è il modulo di elasticità di Young Ing. Antonio Coppola 45

Trasduttori di forza (celle di carico) La variazione di resistenza per un estensimetro metallico filiforme può essere rilevata mediante un ponte di Wheatstone. Ing. Antonio Coppola 47

Trasduttori di forza (celle di carico) Per compensare le variazioni di resistenza dovute alle variazioni di temperatura si utilizzano due estensimetri di uguale resistenza ed incollati sul provino sottoposto a trazione. L'estensimetro R s è sollecitato, l'estensimetro R(T), invece, è ruotato di 90 rispetto ad R s, non è sollecitato e consente di compensare le variazioni di resistenza dovute alle variazioni di temperatura. Ing. Antonio Coppola 49

Trasduttori di forza (celle di carico) dove: R s = R+ R è la resistenza complessiva dei trasduttore sottoposto a sollecitazione; R è la variazione di resistenza dei trasduttore sottoposto a sollecitazione; R(T) = R è la resistenza dei trasduttore di compensazione non sottoposto a sollecitazione; E è la tensione di alimentazione. Ing. Antonio Coppola 51

Trasduttori di forza (celle di carico) Poiché si può ritenere 4 R» 2 R, si ha: Ing. Antonio Coppola 52

Sensore dinamometrico Ing. Antonio Coppola 55

Sensore dinamometrico Una forza applicata su una superficie di carico (bilancia) provoca sull'estensimetro, posto orizzontalmente, un aumento della resistenza perché aumenta la superficie S dei cilindro. Ing. Antonio Coppola 56

Encoder ottici L'encoder ottico o codificatore è un dispositivo che fornisce in uscita uno o più segnali ad onda quadra e può essere a nastro o a disco. Il primo è un trasduttore lineare perché i settori trasparenti ed opachi sono disposti su un nastro, il secondo è un trasduttore di velocità angolare (encoder incrementale) o di posizione angolare (encoder assoluto). Ing. Antonio Coppola 57

Encoder incrementali L'encoder incrementale, così chiamato perché produce un incremento di un impulso per ogni spostamento unitario, è un trasduttore digitale che trasforma una velocità angolare in un treno d'impulsi compatibili con segnali TTL o CMOS. Il dispositivo è costituito da un disco, che può essere metallico, di vetro o metacrilico, da un diodo fotoemettitore (trasmettitore) e da un fototransistor (ricevitore). Ing. Antonio Coppola 58

Encoder incrementali Ing. Antonio Coppola 59

Encoder incrementali Il disco metallico è resistente agli urti e permette una bassa risoluzione perché il numero di fori che si possono realizzare sono limitati dal diametro dei fori e dalla dimensione della superficie dei disco. Il disco di vetro è fragile ma consente di ottenere una risoluzione maggiore perché con la tecnica litofotografica si possono realizzare fino a 2500 strisce trasparenti intervallate da strisce opache che interrompono il raggio luminoso. Ing. Antonio Coppola 60

Encoder incrementali Il segnale d'uscita Vout disponibile sul collettore dei fototransistor, è a livello logico basso (FTR in ON) quando il raggio emesso dalla sorgente luminosa raggiunge il ricevitore, mentre è a livello logico alto (FTR in OFF) quando il raggio luminoso emesso è interrotto. Ing. Antonio Coppola 61

Encoder incrementali La tensione d'uscita Vout è un'onda quadra la cui frequenza dipende dalla velocità di rotazione dei disco e dal numero dei fori: Ing. Antonio Coppola 62

Encoder incrementali dove: f è la frequenza dei segnale d'uscita Vout; N è il numero di fori sul disco; ω è la velocità di rotazione espressa in rad/s. Ing. Antonio Coppola 63

Encoder incrementali Poiché il segnale d'uscita prodotto dall'encoder non presenta fronti di commutazione a tempo nullo, quando la velocità di rotazione dei disco è elevata, gli encoder di maggior qualità contengono un amplificatore e un trigger di Schmitt che consentono di ottenere un'onda quadra compatibile con segnali TTIL o CMOS. Ing. Antonio Coppola 64

Encoder incrementali L'encoder permette di rilevare la velocità o le variazioni di rotazione ma non di stabilire il verso di rotazione dei disco. Per applicazioni nelle quali è necessario conoscere anche il verso di rotazione si deve utilizzare l'encoder bicanale il quale fornisce due segnali d'uscita (canale A e canale B) sfasati tra loro di 90. Ing. Antonio Coppola 66

Encoder incrementali Nella figura è riportata la struttura di un encoder bicanale costituito da due corone concentriche di fori distanziati per ottenere segnali sfasati di 90 gradi, da due diodi fotoemettitori e da due fototransistor. Ing. Antonio Coppola 67

Encoder incrementali Nella figura l'encoder è costituito da un disco ad una sola corona e da due coppie di dispositivi trasmettitore- ricevitore distanziati in modo da realizzare lo sfasamento di 90 tra i due segnali prodotti. Per riconoscere il verso di rotazione del disco è necessario assumere uno dei due segnali come riferimento e rilevare se l'altro è in anticipo o in ritardo di 90 rispetto a quello di riferimento. Ing. Antonio Coppola 69

Encoder incrementali Alcuni encoder forniscono un terzo segnale (canale C), in fase con il canale A, che genera un impulso per giro utile come segnale di riferimento. Ing. Antonio Coppola 70

Encoder incrementali Osservando la figura si rileva che durante la rotazíone in verso orario del disco ad una sola corona di fori il segnale generato dal lettore A si porta per primo a livello logico alto e rimane in tale stato per uno spostamento angolare uguale a α/2. Ing. Antonio Coppola 72

Encoder incrementali Il segnale generato dal lettore B, invece, è a livello logico basso e diviene attivo dopo α/4. Il segnale B pertanto è sfasato di 90 in ritardo rispetto ad A. Ing. Antonio Coppola 73

Encoder incrementali Il segnale generato dal lettore A, invece, rimane a livello logico basso e diviene attivo dopo α/4. In tal caso il segnale B è sfasato di 90 in anticipo rispetto ad A. Ing. Antonio Coppola 76

Encoder assoluto L'encoder assoluto è un trascluttore di posizione angolare costituito da un disco sul quale sono riportate un certo numero di corone e da un numero di dispositivi ottici trasmettitori ricevitori uguale a quello delle corone concentriche sulle quali sono riportati tratti trasparenti intervallati da tratti opachi disposti in modo da generare un codice binario ponderato o un codice Gray. Ing. Antonio Coppola 77

Encoder assoluto Il codice Gray è particolarmente adatto al controllo di posizione angolare perché si modifica un solo bit nel passaggio da una configurazione numerica alla successiva. Ing. Antonio Coppola 78

Encoder assoluto Ing. Antonio Coppola 79

Encoder assoluto Gli encoder sono utilizzati nei sistemi di controllo della velocità e in quelli di posizione. L'albero dei motore è collegato all'albero dell'encoder con un giunto elastico al fine di attenuare gli effetti generati dal mancato allineamento dei due alberi. In commercio sono disponibili numerosi circuiti integrati dedicati, ad esempio gli integrati L290, L291 e L292 che consentono di realizzare un sistema completo di controllo di velocità basato sull'utilizzazione dell'encoder e di un sistema a microprocessore. Ing. Antonio Coppola 80