Introduzione alla sensorica e all attorica

Dipartimento Tecnologie Innovative Introduzione alla sensorica e all attorica Anno accademico 2008/2009 Capitolo 3 - I sensori: di spostamento relativo, di posizione angolare, di velocità, di temperatura, di livello e di flusso. Responsabile del corso Ph.D. Igor Stefanini Bibliografia Prontuario dell ingegnere A cura di Guadagni A., 2003 Nuova edizione riveduta e aggiornata pagine XXII-970 ISBN 978-88-203-3219-8 Autore: Fausto M. Ferri Telefono Fax E-mail SUPSI DTI Galleria 2 Via Cantonale CH-6928 Manno +41 58 666 65 54 +41 58 666 65 71 Igor.stefanini@supsi.ch

INDICE DEI TITOLI 1 SENSORI DI SPOSTAMENTO RELATIVO 3 1.1 FUNZIONE 3 1.2 POTENZIOMETRI RESISTIVI 3 1.3 TRASFORMATORE DIFFERENZIALE 3 1.4 ESTENSIMETRI 3 2 SENSORI DI POSIZIONE ANGOLARE E DI VELOCITÀ 5 2.1 INTRODUZIONE 5 2.2 APPLICAZIONI 6 2.3 ENCODER OTTICI 6 2.4 ENCODER MAGNETICI 7 2.5 CARATTERISTICHE 7 2.5.1 CARATTERISTICHE ELETTRICHE 7 2.5.2 CARATTERISTICHE MECCANICHE 7 3 SENSORI DI TEMPERATURA 8 3.1 TERMOCOPPIE 8 3.1.1 TIPOLOGIA 8 3.2 TERMORESISTENZE 9 3.3 TERMISTORI 9 4 SENSORI DI LIVELLO 10 4.1 INTRODUZIONE 10 4.2 TRASDUTTORI DI LIVELLO A GALLEGGIANTE 11 4.3 TRASDUTTORE CAPACITIVO 12 4.4 ALTRI TIPI DI TRASDUTTORI DI LIVELLO 12 5 SENSORI DI FLUSSO 13 5.1 INTRODUZIONE 13 5.2 FLUSSOMETRO A PRESSIONE DIFFERENZIALE 13 5.3 FLUSSOMETRI A ULTRASUONI 14 5.4 FLUSSOMETRI MAGNETICI 14 Pagina 2/15 10/03/2009

1 SENSORI DI SPOSTAMENTO RELATIVO 1.1 FUNZIONE Convertono uno spostamento rettilineo o un angolo di rotazione in una variazione di una grandezza elettrica. 1.2 POTENZIOMETRI RESISTIVI Possiedono un elemento resistivo su cui scorre un contatto mobile (cursore), il movimento relativo del cursore può essere rettilineo, rotatorio, elicoidale (multigiri). I potenziometri resistivi sono trasduttori passivi e quindi richiedono l uso di una sorgente ausiliaria di alimentazione che può essere a tensione continua o alternata. 1.3 TRASFORMATORE DIFFERENZIALE È un dispositivo di grande precisione e sensibilità. Viene utilizzato per effettuare misure micrometriche di spostamenti lineari o angolari. È formato da un avvolgimento primario connesso con una sorgente di tensione a corrente alternata e da due avvolgimenti secondari, che sono fra loro interconnessi in modo tale che le tensioni indotte dal primario si bilancino perfettamente per cui la corrente circolante sia nulla. Inserendo un nucleo di ferro fra l avvolgimento primario e quello secondario i due avvolgimenti secondari non presentano più la stessa induttanza con uno sbilanciamento delle tensioni indotte; perciò si misurerà una tensione di uscita diversa da zero. Lo spostamento di fase del segnale di uscita rispetto a quello della tensione di alimentazione sarà determinato dalla direzione dello spostamento del nucleo (figura 1). Figura 1: Trasformatore differenziale LVDT (Linear Variable Differential Transformer) 1.4 ESTENSIMETRI Misurano le deformazioni che si manifestano su una superficie di un corpo per effetto di forza, pressione, urti, vibrazioni. La misura della deformazione viene effettuata convertendo una variazione dimensionale dell oggetto in una variazione di una resistenza. L estensimetro è costituito da un conduttore metallico che viene applicato al corpo sotto misura, in modo che sia il corpo sia l estensimetro subiscono le stesse deformazioni. Gli estensimetri (strain gauges, sensori di sforzo) variano la loro resistenza elettrica al variare delle loro forme geometriche (allungamenti o compressioni dovuti a sollecitazioni meccaniche) o della loro resistività. Una sollecitazione (peso, coppia, pressione) applicata all estensimetro ne provoca la deformazione. Se non viene superato il limite di élasticità del materiale che forma l estensimetro tali deformazioni sono proporzionali alla sollecitazione applicata. La variazione relativa della lunghezza è quindi correlata con la variazione relativa della resistenza mediante un parametro che esprime il fatto di proporzionalità dell estensimetro detto GF (Gage Factor) che viene indicato anche con K E. Il fattore di proporzionalità GF è caratteristico del materiale che costituisce l estensimetro. Varia da 2 a 3 per gli estensimetri a filo, constantana, nichel-cromo, e vale circa 150 per quelli a semiconduttore. Gli alti valori del GF degli estensimetri piezoelettrici è dovuto al contributo della piezoelettricità. Il valore resistivo iniziale è compreso fra i 60 Ω e i 2 kω. Il valore di resistenza più utilizzato è quello di 120 Ω. Questo tipo di trasduttori risente fortemente delle variazioni di temperatura, per cui la variazione della resistenza dell estensimentro viene misurata inserendolo in un circuito di misura a ponte di Wheatstone (figura 2). Pagina 3/15 10/03/2009

Figura 2: Collegamento a ponte di Wheatstone degli estensimetri. Il circuito di misura provvederà a valutare a amplificare la tensione di squilibrio. I trasduttori che costituiscono gli elementi attivi del ponte di Wheatstone possono essere da uno a quattro. L efficienza della misura può essere ulteriormente migliorata ponendo due estensimetri nel punto in cui avviene la deformazione. Con il primo si misurerà l allungamento dovuto alla trazione e con l altro l effetto dovuto alla compressione (figura 3). Figura 3: Metodo di collegamento degli estensimetri su un provino. Una particolare realizzazione, detta cella di carico, utilizza gli estensimetri per eseguire misure di forza, pesature e dosaggi elettronici. Pagina 4/15 10/03/2009

2 SENSORI DI POSIZIONE ANGOLARE E DI VELOCITÀ 2.1 INTRODUZIONE Il trasduttore di posizione angolare (encoder) è un apparato elettromeccanico che converte la posizione angolare del suo asse rotante in un segnale elettrico digitale. Collegato con opportuni circuiti elettronici e con appropriate connessioni meccaniche, l encoder è in grado di misurare: spostamenti angolari, movimenti rettilinei e circolari nonché velocità di rotazione o accelerazioni. Esistono varie tecniche per il rilevamento del movimento angolare: capacitiva, induttiva, potenziometrica, magnetica e fotoelettrica. Gli encoder digitali si dividono in due categorie: Ottici (figura 4), presenti sul mercato da più di un decennio, Figura 4: Encoder ottico. Magnetici (figura 5) di più recente realizzazione. Figura 5: Encoder magnetici. Pagina 5/15 10/03/2009

2.2 APPLICAZIONI Gli encoder vengono utilizzati nei seguenti campi applicativi: controllo dei processi industriali, robot industriali, macchine utensili, strumenti di misura, plotter, laminatoi e macchine per il taglio delle lamiere, bilance e bilici, antenne, telescopi, impianti ecologici, macchine sa stampa e da imballaggio, macchine tessili e conciarie, gru, carri ponte, presse, macchine per la lavorazione del legno, della carta, del marmo, del cemento, del vetro, ecc. 2.3 ENCODER OTTICI I modelli più utilizzati sfruttano la tecnica fotoelettrica e possono essere di tipo incrementale o di tipo assoluto. Il tipo incrementale è costituito da un disco trasparente sul cui bordo sono stati ricavati numerosi settori opachi ugualmente distanziati e da un rilevatore ottico (es. una forcella ottica) che provvede a rilevare il diverso comportamento ottico della superficie del disco. Quando il disco viene messo in rotazione si genera una serie di impulsi ottici che vengono rilevati e convertiti da un circuito elettronico. Gli encoder incrementali possono essere usati anche per misure di velocità contando il numero di impulsi generati dall encoder in un certo intervallo di tempo di riferimento (1 secondo, 1 minuto). Un encoder di tipo assoluto è costituito da un disco di materiale trasparente e da un gruppo di rivelatori ottici. Il disco viene suddiviso in vari settori identici (figura 6): ogni settore a sua volta viene suddiviso in tracce di uguale spessore che possono essere trasparenti (0) od opache (1). Figura 6: Disco di decodifica di un encoder assoluto. Pagina 6/15 10/03/2009

2.4 ENCODER MAGNETICI Il sistema a riluttanza magnetica è basato sulla misura dei cambiamenti di resistenza del circuito magnetico causati dal passaggio dei denti della ruota calettata sull albero del motore. Questo sistema fornisce una bassa risoluzione angolare, circa 200 impulsi per giro. Il sistema a banda magnetica utilizza un sensore magnetico che rileva il campo proveniente da un tamburo ricoperto superficialmente con un materiale per registrazioni sul quale sono stati incisi i segnali di posizione. I trasduttori magnetici, rispetto a quelli ottici, offrono una migliore risposta in frequenza e una maggiore affidabilità dovuta a una minore usura degli elementi utilizzati. 2.5 CARATTERISTICHE 2.5.1 CARATTERISTICHE ELETTRICHE Per un encoder di tipo incrementale abbiamo: numero di impulsi per giro, tensione di alimentazione o il suo campo di variazione, corrente assorbita, versione (monodirezionale, bidirezionale, con e senza indicazione di zero), campo di variazione della temperatura di funzionamento e di immagazzinaggio, circuito elettronico nello stadio di uscita (standard, a collettore aperto, puch pull, particolari line driver ), connessione (a cavo o a connettore). 2.5.2 CARATTERISTICHE MECCANICHE peso, massimo numero di giri, coppia di avviamento, momento di inerzia del rotore, resistenza all urto e alla vibrazione, carico radiale e assiale sull albero, durata di vita dei cuscinetti. Pagina 7/15 10/03/2009

3 SENSORI DI TEMPERATURA 3.1 TERMOCOPPIE Sono costruite unendo due metalli diversi. Se la temperatura dei due punti di giunzione ai capi del circuito sono differenti, si misura una forza elettromotrice (effetto Seebeck) il cui valore dipende dai materiali e dalla differenza fra le due temperature (figura 7). Figura 7: Termocoppia. La giunzione utilizzata per effettuare la misura è detta giunzione calda mentre l altra è detta giunzione di riferimento o fredda. Poiché è difficile ricavare per le termocoppie equazioni parametriche che permettano di valutare esattamente la relazione forza elettromotrice-temperatura, occorre effettuare un operazione di calibrazione per stabilire una relazione biunivoca (figura 8). Figura 8: Diagramma di calibrazione. Per l installazione i fili di connessione con lo strumento di misura (di solito in rame) formano con la termocoppia due giunzioni che manifestano le sue stesse proprietà termoelettriche. Il montaggio deve perciò essere effettuato in modo tale che gli effetti di queste due giunzioni si compensino; ciò viene ottenuto utilizzando fili di connessione realizzati con materiale identico e con caratteristiche geometriche (sezione e lunghezza) uguali. Le termocoppie sono utilizzate in tutti i settori industriali per misurare temperature comprese fra -255 e + 1500 C. La tensione di uscit a varia fra -10 mv e + 50 mv e ha una sensibilità media di 10-50 µv/ C, in funzione del tipo di termocoppia utilizzat a. 3.1.1 TIPOLOGIA Le termocoppie sono classificate con lettere maiuscole che ne indicano la composizione (convenzione ANSI); le più comuni sono: rame-costantana, tipo T ; ferro-costantanta, tipo J ; cromel-costantana, tipo E ; cromel-alluminio, tipo K ; platino-platino/13% rodio, tipo R ; platino-platino/10% rodio, tipo S ; platino-platino/30% rodio, tipo B. Pagina 8/15 10/03/2009

Le termocoppie sono trasduttori robusti che possiedono un elevata velocità di risposta, sono di facile installazione, hanno un campo di misura molto esteso e sono poco ingombranti. 3.2 TERMORESISTENZE Sono componenti di natura metallica che presentano un valore di resistenza (R) molto stabile nel tempo; il loro coefficiente di temperatura α( C -1 ) è positivo: platino: α=0.000385, rame: α=0.00426, nichel: α=0.00617, e la resistenza dipende dalla temperatura secondo la seguente relazione: dove T 0 è la temperatura di riferimento. R T = R α [ 1+ ( T )] T T 0 0 Nella figura 9 viene mostrata la struttura costruttiva di una termoresistenza e la caratteristica resistenza-temperatura di vari tipi di termoresistenze. I materiali usati per realizzare termoresistenze sono: il platino (il più utilizzato), il rame, il nichel, il tungsteno, Figura 9: Termoresistenza. sono tutti materiali che possiedono un elevato coefficiente di temperatura, un elevata resistività elettrica e una buona riproducibilità della caratteristica resistenza-temperatura. I valori di resistenza (misurati a 0 C) più utilizzati sono: 25 Ω (per i termometri campione) e 100 Ω (per quelli industriali). 3.3 TERMISTORI Sono resistori che presentano valori elevati del coefficiente di temperatura. Sono composti da materiali semiconduttori sinterizzati che hanno la proprietà di fornire grandi variazioni di resistenza anche per piccole variazioni di temperatura. Se la variazione di temperatura comporta un aumento della resistenza elettrica si è in presenza di un termistore a coefficiente di temperatura positivo (PTC). Se invece la resistenza diminuisce, il termistore ha un coefficiente di temperatura negativa (NTC). Il comportamento dei termistori viene descritto mediante curve caratteristiche resistenza-temperatura come quella mostrata nella figura 10 che si riferiscono ai termistori NTC il cui valore nominale, misurato a 25 C, è riportato a lato del diagramma. Il campo di temperature rilevabili con gli NTC va da -40 a +300 C, mentre quella dei PTC va da 0 a +150 C. Pagina 9/15 10/03/2009

Figura 10: Curva caratteristiche di termistori NTC. 4 SENSORI DI LIVELLO 4.1 INTRODUZIONE Vengono realizzati sensori e apparecchi di comando e di controllo, basati su principi di misura diversi, che permettono: il rilevamento, il controllo e il comando di livello di tutti i possibili materiali di riempimento: sostanze liquide, sostanze pastose, sostanze polverose, sostanze granulari. La misura di livello può essere effettuata utilizzando vari tipi di trasduttori che sfruttano differenti tipi di fenomeni fisico-chimici (figura 11): capacitivo: misura continua e controllo di livello di liquidi e materiali in pezzatura, idrostatico: misura esatta di sostanze fluide e dense, elettromeccanico: misura di materiali in pezzatura in silos di una certa altezza, ecoscandaglio: misura senza contatto di materiali in pezzatura e liquidi, vibrazione: rilevamento di livello di liquidi e materiali in pezzatura, conduttivo: rilevamento di livello di liquidi e materiale in pezzatura conduttivi, radioattivo: rilevamento senza contatto di liquidi o materiali in pezzatura attraverso le pareti dei serbatoi, microonde: rilevamento di livello senza contatto di materiali in pezzatura, laser: misura di livello senza contatto a raggio laser all infrarosso. Pagina 10/15 10/03/2009

Figura 11: Trasduttori di livello. 4.2 TRASDUTTORI DI LIVELLO A GALLEGGIANTE La misura può essere effettuata in modo diretto o indiretto. Secondo il primo metodo un galleggiante viene connesso con un trasduttore di spostamento o con un trasduttore di forza. L organo mobile del trasduttore di posizione viene azionato da un insieme di leve collegante all asta del galleggiante (figura 12). Figura 12: Sistema a galleggiante per la misura di livello dei liquidi. Una misura indiretta può essere effettuata misurando, invece che il livello, la massa di liquido contenuta nel serbatoio (figura 13). Figura 13: Sistema a spinta idrostatica per la misura di livello dei liquidi. Pagina 11/15 10/03/2009

La misura viene effettuata valutando la spinta (forza) idrostatica che agisce su un corpo immerso (principio di Archimede). La profondità di immersione l del corpo deve essere tale da far sì che il peso del volume (l S) del liquido spostato sia uguale al peso complessivo del corpo. Quindi a un aumento del livello h del liquido corrisponde un aumento della spinta idrostatica. Se il corpo immerso è collegato meccanicamente con un trasduttore di forza, è possibile valutare l entità della spinta e correlarla con il livello del liquido. La spinta del liquido F (forza di Archimede) è pari a: dove δ è la densità del liquido. F = l S δ Tale misura è influenzata dalle alterazioni della densità del liquido per effetto della temperatura o della composizione del liquido. 4.3 TRASDUTTORE CAPACITIVO Sono possibili due realizzazioni in funzione delle caratteristiche elettriche isolanti o conduttrici del liquido. Il trasduttore è formato da un condensatore piano, in cui le due armature assumono la forma di due sonde che vengono immerse nel liquido isolante, che funge da dielettrico (figura 14). Figura 14: Trasduttore capacitivo per la misura di livello dei liquidi con caratteristiche elettriche: (a) isolanti e (b) conduttrici. La sezione S sommersa degli elettrodi determina la capacità del trasduttore secondo la formula: dove δ è la distanza tra gli elettrodi. S C = ε d Se il liquido è conduttore il trasduttore utilizza una sola sonda ricoperta da un materiale isolante (Teflon) e il liquido stesso forma la seconda armatura. Alcuni trasduttori utilizzano il recipiente come secondo elettrodo. 4.4 ALTRI TIPI DI TRASDUTTORI DI LIVELLO Nel caso in cui il liquido presenti un basso valore di resistività, si può introdurre nel recipiente un elettrodo di resistenza nota che viene cortocircuitato, per il tratto a contatto con il liquido. La misura del livello del liquido è, quindi, data dal valore della resistenza dell elettrodo stesso. I trasduttori a ultrasuoni misurano il livello del liquido misurando il tempo necessario a un impulso a ultrasuoni per percorrere lo spazio tra il fondo del recipiente e la superficie del liquido, in corrispondenza della quale l impulso subisce un eco. Pagina 12/15 10/03/2009

5 SENSORI DI FLUSSO 5.1 INTRODUZIONE La misura della portata (o di flusso) dei liquidi e dei gas è di fondamentale importanza in molti processi industriali. Una misura errata può infatti provocare guasti che danneggiano l integrità di un impianto industriale o condizionano in modo determinante l evoluzione di un processo produttivo al punto da compromettere la resa economica. I misuratori di portata più utilizzati nelle misure industriali sono: a pressione differenziale, a tubo di Pitot, ad area variabile, magnetici, a vortice, volumetrici, a ultrasuoni, termici. 5.2 FLUSSOMETRO A PRESSIONE DIFFERENZIALE Questo tipo di flussometro viene inserito nel circuito idraulico in una posizione tale da essere percorso dal liquido (o dal gas) che vi scorre; la sua presenza provoca una variazione di pressione, a monte e a valle del dispositivo, che è proporzionale al quadrato della portata (legge di Bernoulli). È formato da due elementi: il primario e il secondario. L elemento primario provoca una variazione di energia cinetica che determina il cambio di pressione nel tubo. L elemento secondario misura la pressione differenziale e genera il segnale che viene convertito nel corrispondente valore di flusso. I dispositivi, in figura 15, a: strozzamento, diaframmi, boccagli, venturimetri, per tubi circolari sono normalizzati a livello internazionale dalla norma ISO 5167 e dalla norma europea EN-ISO 5167. Figura 15: Flussometro a pressione differenziale Pagina 13/15 10/03/2009

Vengono utilizzati per misure sia di gas sia di liquidi e di gas, soprattutto nelle misure industriali di portata e nei misuratori fiscali di metano e di gas naturale. Questi dispositivi presentano i seguente vantaggi: non vi sono organi meccanici in movimento, non richiedono calibrazione, sono semplici da costruire e il loro costo è relativamente basso. Il campo di lavoro è però limitato alla relazione quadratica tra la differenza di pressione fra monte e valle e la portata fluente, tipicamente 4:1, inoltre la pressione della misura è influenzata dalla viscosità del fluido in misura; può essere usato solo con liquidi che presentano un basso valore del numero di Reynolds. Le perdite di carico sono elevate nei diaframmi e nei boccagli mentre sono più limitate nei venturimetri. Il principio di Bernoulli viene sfruttato anche dai misuratori a tubo di Pitot e da quelli ad area variabile. 5.3 FLUSSOMETRI A ULTRASUONI Sfruttando la proprietà dei materiali di propagare il suono. Nei fluidi, in particolare, la velocità di propagazione del suono dipende dalla massa volumica, dalla pressione e dalla temperatura. Questi strumenti (figura 16) possiedono un elemento trasmittente e uno ricevente posizionato all esterno del tubo. Figura 16: Flussometri a ultrasuoni. Il primo invia un impulso a frequenza ultrasonica verso il liquido che scorre nel tubo. L onda sonora, incontrando particelle solide, bolle o qualsiasi discontinuità nel liquido, riflette l impulso verso l elemento ricevente. La frequenza dell onda ricevuta risulta spostata rispetto a quella trasmessa (effetto Doppler) in misura proporzionale alla velocità del liquido. 5.4 FLUSSOMETRI MAGNETICI Se il liquido presenta una conducibilità elettrica significativa (> µs/cm) si possono utilizzare misuratori di portata magnetici. Il principio di funzionamento si basa sulla legge di Faraday dell induzione magnetica che stabilisce che un conduttore (il liquido stesso) immerso in un campo magnetico produce ai suoi estremi una forza elettromotrice proporzionale alla velocità con cui il conduttore taglia le linee di flusso del campo magnetico (figura 17). Figura 17: Flussometro magnetico Pagina 14/15 10/03/2009

Questi misuratori presentano: un elevato campo di lavoro (20:1), una buona precisione, sono adatti per liquidi sporchi e abrasivi, non sono utilizzabili con i gas, richiedono un operazione di calibrazione e sono molto costosi per tubi di piccole e di grandi dimensioni. Nella tabella 1 sono raccolte informazioni tecniche significative riguardanti i principali misuratori di portata. Tabella 1: Parametri dei misuratori di portata. Pagina 15/15 10/03/2009