Sensori e attuatori Innovazione indle - DPIA Udine Elettrici II/Sensori e... · se T1 ≠T2 => V...

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Sensori e attuatori per l’automazione

Corso di AZIONAMENTI ELETTRICILaurea specialistica in ingegneria dell’innovazione industrialeUniversità di Udine, sede di Pordenone

Docente: Luca Sgarbossa

Laurea Specialistica in Ingegneria dell'Innovazione Ind.le - Docente: Luca Sgarbossa 2

Outline

Generalità sui trasduttoriTrasduttori di

temperaturaforzacoppiaposizione-spostamentovelocitàaccelerazionecampo magneticocorrentetensionepressioneportatalivelloumidità

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Sistema di controllo

Regolatore Attuatore Processo dacontrollare

Variabile d’uscita

Riferimento

Controllo ad azione diretta o a catena aperta

Regolatore Attuatore Processo dacontrollare

Trasduttore

Variabile d’uscita

Riferimento

Controllo in retroazione o a catena chiusa

Energia


Generalità sui trasduttori

Trasduttore elettrico: è un dispositivo in grado di trasformare le variazioni di una grandezza fisica in una corrispondente variazione di una grandezza elettrica.Esempi:

Trasduttore di temperaturaTrasduttore di velocitàTrasduttore di posizioneTrasduttore di pressioneTrasduttore di forza

Trasduttore

Elettrico

Pneumatico

Trasduttore

grandezza fisica da misurare

grandezza di uscita

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Sensore o Trasduttore?

Secondo l’IEC (International Electrotechnical Commission)SENSORE: “L’elemento primario di una catena di misura, che converte la variabile di ingresso in un segnale adatto per la misura”.TRASDUTTORE: “Il dispositivo che accetta un’informazione nella forma di una variabile fisica (sua variabile di ingresso) e la converte in una variabile di uscita della stessa o di diversa natura, in accordo ad una legge definita”.

Quindi il trasduttore può essere formato dall’insieme di:elemento captatore (il sensore vero e proprio)elemento di condizionamento (es. alimentazione, amplificazione, compensazione, linearizzazione, autotaratura,…)elemento di elaborazione

Oggigiorno, in ambiente industriale, il significato dei due termini si confonde.


Catena di trasmissione dati e relazioni con altri sistemi

AMBI

ENTE

AMBI

ENTE

Trasduzione della grandezza fisica da misurare in una grandezza elettrica

Eliminazione delle componenti in frequenza indesiderate

Standardizzazione del livello del segnale. Tipicamente: 0 ÷ 5V; 0 ÷ 10V; 0 ÷ 20mA; 4 ÷ 20mA

Conversione A/D; (quantizzazione, campionamento)

AMBI

ENTE

AMBI

ENTE

AMBI

ENTE

AMBI

ENTE

AMBI

ENTE

AMBI

ENTE

AMBI

ENTE

AMBI

ENTE

AMBI

ENTE

AMBI

ENTE

AMBI

ENTE

AMBI

ENTE

AMBI

ENTE

AMBI

ENTE

Trasduzione

Filtraggio

Condizionamento

Conversione

Sistema misurato

Sistema di controllo

Aux

Grandezza fisica in ingresso

Dato in uscita

Il trasduttore è in relazione con: sistema misurato, sistema utilizzatore, sistema ausiliario, sistema ambiente

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Condizionamento dei segnali analogici

Scopi:adattare il livello del segnale al convertitore A/Dpreservare l’integrità del segnale lungo la linea di trasmissione

Tipi di connessioni:single endeddifferenzialecon isolamento galvanico


Connessione single ended

Caratterizzata da una linea di ritorno comunepro: nel caso che i canali da acquisire siano numerosi, è sufficiente un multiplexer con un interruttore per canalecontro: se i potenziali di massa dei due telai sono diversi, la corrente circolante in Zm da luogo a una caduta di tensione che si aggiunge al segnale generato dal trasduttore, e quindi ad errori di misura non sempre tollerabili

Telaio 1 Telaio 2high end

low end

Zm

massa 1 massa 2

Trasduttore

Ground loop

I≠0

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Connessione differenziale

Caratterizzata dall’assenza di un collegamento diretto tre le due massepro: l’eventuale ddp tra le due masse appare all’ingresso dell’amplificatore come una tensione di modo comune, che verrà attenuata secondo il suo CMRR.contro: necessità di un doppio interruttore per ogni ingresso del MUX

Telaio 1 Telaio 2

Zm

massa 1 massa 2

Trasduttore

I=0


Connessione con isolamento galvanico

Caratterizzata dalla presenza di un isolamento galvanico tra trasduttore e scheda di acquisizione (ottenuto per es. con optoisolatore, fibra ottica, trasformatore d’accoppiamento o amplificatore d’isolamento)pro: perfetto isolamento galvanico, possibilità di collegare apparecchiature con un’elevata ddp in totale sicurezzacontro: più costoso rispetto ai metodi precedenti

Telaio 1 Telaio 2

massa 1 massa 2

Trasduttore

I=0

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Principali cause del Rumore

Principalmente generato da accoppiamenti indesiderati con sorgenti di segnale estranee al circuito di misura

rumore per accoppiamento capacitivo:si verifica in maniera rilevante quando segnali ad alta frequenza o con fronti ripidi hanno percorsi adiacenti a circuiti che offrono un’elevata impedenza

rumore per accoppiamento induttivo:nasce in presenza di forti campi magnetici come quelli prodotti dalle correnti che fluiscono nelle barre di trasporto dell’energia elettrica, trasformatori, grossi motori,… ed èdovuto alla mutua induttanza tra queste sorgenti ed il collegamento tra trasduttore e sistema di acquisizione

In tutti i casi il livello del rumore dipende da diversi fattori:tipo di trasduttore utilizzatoimpedenza di uscita del trasduttore e di ingresso del sistema di acquisizionelunghezza e percorso del collegamentoampiezza del segnale…


Principali metodi per attenuare il Rumore

collegamenti i più brevi possibiliseparare le linee di potenza da quelle di segnaleseparare le linee analogiche da quelle digitalisegnali in correnteuso di cavi con uno schermo metallico collegato a massa connesso da un lato solo (preferibilmente lato acquisizione) per evitare ground loopuso di cavi coassiali nelle connessioni single endeddoppino intrecciato schermato nelle connessioni differenziali

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Classificazione dei trasduttori

Esistono più modi per classificare i trasduttori:

Altre classificazioni:Attivo/PassivoAnalogico/Digitale

Classificazione

In base al principio fisicoottico, meccanico, pneumatico, elettrico

In base alla grandezza da misurarelunghezza, temperatura, pressione, vibrazione

In base al settore di destinazioneagricoltura, chimica, robotica, manifatturiero


Caratteristiche dei trasduttori

Caratteristiche statiche (in condizioni normali)range di funzionamento (ingresso: campo di misura (Span) e di sicurezza; uscita: Full Scale Output)

sensibilità o guadagno (dy/dx)risoluzione (errore di quantizzazione)Linearità (riferita allo zero, agli estremi, ai minimi quadrati, indipendente)fascia di incertezzaoffseterrore di guadagnoripetibilitàIsteresistabilità

Calibrazione

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Caratteristiche dinamichefunzione di trasferimentorisposta al gradino:

costante di tempo (63%)tempo di risposta (95 o 98%)tempo di salita (rise time) (10 – 90% o 5 – 90%)settling time (entro il 4%)sovraelongazione (overshoot)tempo morto (dead time) (10%)

risposta in frequenzabanda passante (fBW; -3dB)smorzamento (ξ)pulsazione naturale (ωn)



Caratteristiche ambientalisi riferiscono alle prestazioni del sensore dopo l’esposizione (c.a. non operative) o durante l’esposizione (c.a. operative) a specifiche sollecitazioni esternei trasduttori spesso operano in condizioni operative diverse da quelle in cui sono stati calibraties:

temperaturaaccelerazionevibrazionepressioneumiditàcampi elettricicampi magnetici

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Caratteristiche di affidabilitàsono relazionate alla vita utile del sensore e a possibili cause di malfunzionamento nel sistema in cui è inserito

vita operativa:rappresenta il minimo intervallo di tempo nel quale il dispositivo funzionerà senza che cambino le su caratteristiche di funzionamento

numero di cicli:rappresenta il minimo intervallo di escursioni nel suo range di funzionamento nel quale il dispositivo opererà senza che cambino le sue caratteristiche di funzionamento


Misura della temperatura

Il calore si trasmette per:conduzione (sensori a contatto)convezioneirraggiamento (sensori senza contatto)

Il sensore di temperatura deve influire il meno possibile sulla grandezza da rilevare

ridotta capacità termica del sensoreScale:

CelsiusKelvinFahrenheitRankineReamur

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Misura della temperatura – errori nella misura

la temperatura misurata:è una media della temperatura del corpodipende dagli errori dello strumento di misuraè legata al tempo di misuradipende dall’operatoreè influenzata dalle capacità termiche del sensore e del corpo


Trasduttori di temperatura

termocoppieRTD (resistance temperature detector) o termoresistenzetermistori (thermal resistor)sensori integratipirometro

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Trasduttori di temperatura - termocoppie

Sfruttano l’effetto termoelettrico o effetto Seebeck (1821)

se T1 = T2 => V = 0se T1 ≠ T2 => V ≠ 0

V dipende dai materiali e da (T1-T2):

in prima approssimazione:

Per la giunzione ferro-costantana (J):

1 2

2 3, 1 1 2 2 1 2 3 1 2( ) ( ) ( ) ... (termine lineare prevalente)AB

T TE a T T a T T a T T= − + − + − +

1 51.7 VaCμ

≅°

T1

T2

1 2 1 2( , ) ( )e f T T T T= ⋅ −



Legge delle temperature successive

Se una termocoppia sviluppa una fem e1 quando i giunti sono posti rispettivamente alle temperature t1 e t2, ed una fem e2 quando i giunti sono posti rispettivamente alle temperature t2 e t3, allora essa svilupperà una fem e3=e1+e2qualora i giunti siano posti alle temperature t1 e t3.

1 3 1 2 2 3( , ) ( , ) ( , )e t t e t t e t t= +

(0, ) (0, ) ( , )a ae t e t e t t= +

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Legge dei metalli interposti

L’inserzione nel circuito di una termocoppia di un terzo metallo non altera la fem, a patto che le due nuove giunzioni dovute alla presenza del nuovo metallo siano alla medesima temperatura.

A

B

T1 T2

A

B

T1 T2

B

C

T3

A

B

T1

T2

C

1 2 2 3( , ) ( , )AB CDe e t t e t t= +

A

B

T1 T3

D

C

T2

A

B

T1

T3

D

C

T2C



0 ÷ +280015 μV/°CTungsteno – 26% RenioTungsteno – 5% RenioC

0 ÷ +2800--Tungsteno – 26% RenioTungstenoG

0 ÷ +1800--Platino – 30% RodioPlatino – 6% rodioB

0 ÷ +16006.4 μV/°CPlatino – 13% RodioPlatinoR

0 ÷ +15006.4 μV/°CPlatino – 10% RodioPlatinoS

-200 ÷ +130040.5 μV/°CAlluminioCromoK

-200 ÷ +100060.9 μV/°CCostantanaCromoE

-200 ÷ +70051.7 μV/°CCostantanaFerroJ

-200 ÷ +40048.2 μV/°CCostantanaRameT

Range di temp. [°C]Coeff. di temp. medioMetallo 2Metallo 1Type

La scelta va fatta anche in base ad altri fattori, come la resistenza ad ambienti aggressivi e all’ossidazione.

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VT1

T2

Fe Cu

CuCostantana

cold junction:

Le due giunzioni col rame devono essere alla medesima temperatura

1 2 1 2( , ) ( )e f T T T T= ⋅ −

T2

bagno di acqua e ghiaccio

compensazione (e.g. LT1025, AD594)

hot junction



Esempio di compensazione con LT1025

A B

T1

T2

C

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termocoppieRiferite a 0°C



economicherobuste – notevole resistenza meccanicaadatte anche ad ambienti ostilistabili nel temporisposta prontaampio range di funzionamentoampia scelta di metallinon troppo precise e sensibilibassa tensione di uscita (μV) – rumorenon lineariApplicazioni tipiche:

forni ad induzioneforni per uso alimentare

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Trasduttori di temperatura - RTD

in ogni conduttore metallico vale:i materiali più usati sono platino (Pt100), rame, nichelmolto stabiliprecisimolto accuratiabbastanza linearicostosisoffrono del riscaldamento per effetto Joulepresentano una certa inerzia termica – lenticollegamento a 4 filimisure industriali di precisione da -200 fino a +1100°CApplicazioni tipiche:

processi fotochimicimonitoraggio temperature nei processi alimentari

0 (1 )t Tρ ρ α= +


Trasduttori di temperatura – RTD – Pt100

è il dispositivo più accurato e stabile nel range 0÷500°Cintaccabile dagli agenti chimicipunto di fusione molto elevatocaratteristica abbastanza linearemolto stabile nel tempolunga durata

R = 100Ω a 0°Cα = 3.54 °C-1 tra 250°C e 350°Cesempio: R = 280.90Ω a 500°C

––I

Pt100

V

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Trasduttori di temperatura - Termistori

Si basano sulla dipendenza della conducibilità dei semiconduttori dalla temperaturaprecisieconomicinon linearirichiedono un’elettronica complessafragilisolitamente usati per misure di temperature ambientalisi basano sulle caratteristiche dei semiconduttoricaratterizzati da ampie variazioni della resistenza

(da 103 a 106 volte più sensibili degli RTD)Applicazioni tipiche:

sistemi di riscaldamentoelettronica industriale e di consumotelecomunicazioni


Trasduttori di temperatura – Termistori – PTC

coeff. di temp. positivorealizzati mediante silicioandamento quasi parabolico della resistenza (in un certo range):

più sensibili alle alte temperatureproblema dell’autoriscaldamentointervallo di funzionamento ristrettotipicamente usati per la protezione da sovraccarichi e surriscaldamento

225

3 1

5 2

(1 )

7.68 10 (tipico)1.88 10 (tipico)

TR R T T

CC

α β

α

β

− −

− −

≅ + Δ + Δ

= ⋅ °

= ⋅ °

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Trasduttori di temperatura – Termistori – NTC

coeff. di temp. negativorealizzati mediante miscele di ossidi metallici sinterizzatiandamento tipicamente esponenziale della resistenza:

più sensibili alle basse temperaturefortemente non lineariimpedenza molto elevataproblema dell’autoriscaldamentotipicamente impiegati fra -100°C e +400°C (alcuni tipi speciali possono arrivare fino a +1200°C)

25

1 1

25 con: temperatura assoluta, coeff. dipendente da forma e dimensioni, coeff. dipendente dal materiale

b bT TT

TR ae R eTab

⎛ ⎞−⎜ ⎟

⎝ ⎠= =


Trasduttori di temperatura – sensori integrati

utilizzano le proprietà delle giunzioni a semiconduttore (diodi e transistor) di avere tensione e corrente fortemente dipendenti dalla temperaturaaffidabiliprecisiminiaturizzatieconomicilinearirange di temperatura piuttosto ristretto (-65 ÷ +150°C)Applicazioni tipiche:

celle frigoriferecompensazione di temperatura in dispositivi di qualità

e.g.LM35, LM45, LM50, LM135, LM235, LM335 (uscita in tensione)AD590, AD592, TMP17 (uscita in corrente)

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Trasduttori di temperatura – Pirometro

Trasduttore elettrico a infrarossi che si fonda sulla trasmissione del calore per radiazione elettromagneticaRisposta proporzionale a T4 (non lineare)non invasivo (es: parti in movimento o poco accessibili)molto stabileadatto a temperature anche elevaterange estesosensibilità maggiore alle alte temperaturecostoso


Trasduttori di forza

strain gauge (o estensimetro)piezoelettrici

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Trasduttori di forza – strain gauge (estensimetro)

Sensore in grado di misurare la deformazione locale della superficie di un corpo.Sfrutta il cambiamento di resistenza di un conduttore quando viene deformato.In zona elastica vale la legge di Hooke (per carico uniassiale):

con T tensione meccanica, E modulo di Young, S deformazione.

F LT ES EA L

Δ= = =

lRS

ρ= dR d dl dSR l S

ρρ

= + −

F

F Piccolo nei metalli

Preponderante nei semiconduttoriPiezoresistività



La deformazione in genere è piccola: si introduce allora il microstrain (με) 10-6.La deformazione massima con strain gauge metallici è di circa 40000 με.In prima approssimazione, per piccole deformazioni vale: in cui G è il fattore di gauge (circa 2 per la maggioranza dei metalli, 6 per il Pt; oltre un ordine di grandezza più grande per i semiconduttori).

0 (1 )R R GS= +

Estensimetro a lamina

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Problema: la resistività dipende anche dalla temperatura! (10°C ↔ 20000με)si devono usare leghe a basso TCR (es Cu/Ni)substrato con stesso coefficiente di dilatazione termicacomunemente si ha una sensibilità alla temperatura < 5 με/°Csi può ricorrere al dummy gauge

VuE

R1R2

R3 R4

Ponte di Wheatstonehttp://www.dwiarda.com/scientific/Bridge.html

3 4

1 3 2 4( ) ( )uR RV E

R R R R⎛ ⎞

= − ⋅⎜ ⎟+ +⎝ ⎠

1 2 4 3se e

2 2u

R R R R R R RR EV

R R

= = = = + ΔΔ

= ⋅+ Δ

-0,5

-0,3

-0,1

0,1

0,3

0,5

-1 -0,5 0 0,5 1R

RΔ

uVE



Ponte a due rami attivi (per compensare la temperatura)

VuE

R1 R2

R3 R4

R3

R1

Fy

Fx

R3R1

Fy

Fx

R3R1

Fx

2 2 2uT

R EVR R R

Δ= ⋅

+ Δ + Δ

Adatti alla misura di trazione e flessione

dummy gauge dummy gauge

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(Misure con il Ponte di Wheatstone…

Può accadere che il sensore debba essere posizionato lontano dalponte

In questo caso la totale resistenza del ramo 3 valeLa temperatura dei cavi di collegamento non è nota e non può essere controllata, per cui…

3 3 2 cR R R′ = +

Vu E

R1 R2

R4R3 Rc

Rc α = 0.4%

α = 0.4%

I cavi di collegamento introducono un errore sistematico nella misura


…Misure con il Ponte di Wheatstone…

Configurazione a tre fili

In questo modo c’è una Rc sul ramo 3 e una sul ramo 4: i loro effetti si compensano…… ma la tensione di alimentazione del ponte non è più E, bensì E meno la cdt su Rc, per cui…

Vu E

R1 R2

R4R3 Rc

Rc α = 0.4%

α = 0.4%

Rc α = 0.4%

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…Misure con il Ponte di Wheatstone…

Configurazione a quattro fili

In questo modo ci sono due Rc sul ramo 3 e due sul ramo 4: i loro effetti si compensano e la tensione di alimentazione del ponte è E.… ma sono però necessari ben quattro conduttori di collegamento con il campo

Vu E

R1 R2

R4R3 Rc

Rc α = 0.4%

α = 0.4%Rc α = 0.4%

Rc α = 0.4%


…Misure con il Ponte di Wheatstone…)

Azzeramento automatico del ponte

Notare la linearità intrinseca del sistema

VuE

R4R3

R R

R

AB

3

2u

R R RR EV

R

= + Δ

Δ= −

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Utilizzabile anche in ambienti estremamente avversi:-269°C ÷ 1300°Caree soggette a radiazionevibrazioni intense

Applicazioni tipiche:celle di carico (bilance, pese, automotive, aerospace, campo medico)monitoraggio strutture (ponti e edifici)trasduttori di forza, di pressione, di coppia, accelerometri


Trasduttori di forza – piezoelettrici

Sfruttano la proprietà di alcuni materiali, (materiali cristallini con basso grado di simmetria e materiali ottenuti per sinterizzazione: p. es. quarzo, tormalina, sale di Rochelle, solfato di litio, polimeri, titanato di bario, di piombo…), di generare una differenza di potenziale quando vengono sottoposti a sollecitazioni meccaniche quali la compressione, lo stiramento e la flessione.Sono estremamente sensibili e rispondono a sollecitazioni dinamiche in un range di frequenze da 20Hz a 20kHz.L’effetto è reversibile (Piezo Electric Actuator – PEA): si parla di spostamenti compresi tra 1pm e 100μm.

+Q

-Q

Materiale piezoelettricoE

A

pV Strato metallico deposto

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Trasduttori di forza – piezoelettrici

In assenza di sollecitazione meccanica, o a sollecitazione costante, il materiale piezoelettrico si comporta come un normale dielettrico, e non si osserva alcuna d.d.p.Una sollecitazione meccanica variabile nel tempo provoca una deformazione e modifica i momenti di dipolo con conseguente variazione di carica di superficie, che viene rilevata come una d.d.p. impulsiva.Questo effetto è sfruttato per realizzare trasduttori di

pressionevibrazioneonde acustiche (microfoni, idrofoni)flussodistanza (sonar)prossimitàlivello


Trasduttori di coppia o Torsiometri

Trasduttore in grado di misurare una coppia meccanica

principio di funzionamento: misura della torsione di un alberostrain gaugeinduttivomagnetico a sfasamentoottico

con o senza contatti striscianti

statico/dinamico

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Torsiometri statici


A sensori strain gauge

Gli strain gauge sono installati sull’albero rotante deformabile, tipicamente in configurazione a ponte di Wheatstone con 4 lati attiviProblema: si deve alimentare e prelevare il segnale da un organo rotante.Si può far uso di batterie, trasformatori assiali, telemetria a radiofrequenza o a infrarosso

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A sensore induttivo


A sensori magnetici a sfasamento

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A sensori ottici


A sensori NCAPS

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Montaggio sospeso

Pro:catena di trasmissione più corta

spazio occupato minorefrequenza di risonanza dell’albero più elevata

più economicoContro:

velocità di rotazione ridottavibrazioni


Montaggio ancorato

Pro:velocità di rotazione massima più elevatameno masse sospese

Contro:catena di trasmissione più lunga

spazio occupato maggiorefrequenza di risonanza dell’albero minore

più costoso

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Sistema a due masse

1

1sJ

1s

Kt +Bs

2

1sJ

1s

B1

B2

1M

2M

1ω

2ω

1ϑ

2ϑ

ϑΔ

1 1,M ϑ

2 2,M ϑ

2 11 22 2

1 2 1 2 1 2 1 2

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )t t

J Js M s M s Qs J J K J J s J J K J J

ϑΔ = − = ∞+ + + +


Trasduttori di posizione-spostamento

Movimenti rotativi (single-multi turn)

potenziometri rotativiencoderresolverNCAPSinduttivi RVDTcapacitivi RCDT

Movimenti rettilineipotenziometri lineariad estensione di cavoinduttivi LVDTLASERmagnetoresistivi

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Potenziometri

Trasduttore di posizione analogicoi più antichi dispositivi di trasduzione di posizionepuò essere lineare o rotativopuò essere a filo (uscita discontinua) o a stratoattenzione all’effetto del carico, che riduce la linearità del sistemaproblema dei contatti striscianti

0

per

out

out

xV E El

R

α= =

= ∞

ER

I

Voutx Rout

2/

/out

outout

R RV ER R

αα α

=− + +

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,5 10

xl

α =

outVE

5outRR

=

outRR

= ∞


Potenziometri

economicopoco affidabile per via dei contatti strisciantiscarsamente usato per misurare posizioni di parti importanti o critichespesso utilizzato come generatore di set-point, abbinato ad una scala graduata

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Encoder

L’encoder è un apparato elettromeccanico che converte la posizione angolaredel suo asse rotante in un segnale elettrico digitale.

Può essere di tipo:rotativo/linearetachimetrico, assoluto, incrementale e assoluto-incrementaleottico/magneticoad albero

sporgentecavosemicavo

Vita della sorgente luminosa:tipicamente > 100.000 oreTemp. di lavoro tipica:0 ÷ 70-100°C


Encoder

Particolare cura deve essere posta nel montaggiol’encoder non deve mai essere sollecitatosi devono contenere gli errori di allineamento (assiale, radiale, angolare)si deve porre attenzione a temperatura, vibrazioni

e nel collegamento elettricocavi opportunamente schermati e più corti possibiliseparare le linee di segnale dalle linee di potenzatrasmissione in modo differenziale (Line Driver)adattamento della linea

il disco può essere di materiale vetroso (delicato agli urti) o infrangibile (risoluzione minore, bassa inerzia)in continuo sviluppo

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Encoder


Encoder

Utilizzazioni tipiche:

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Encoder incrementale

Fornisce l’incremento di posizioneNecessita di contatore e azzeramento inizialeesistono encoder incrementali con batteria tamponeesistono encoder incrementali sinusoidali (per ovviare al problema della larghezza di banda del segnale); es: 8192 periodi/giro – 2048 suddivisionimoltiplicazione elettronica del numero di impulsi/giro (x2, x4)max 90.000 impulsi/giroda 200kHz (low-intermediate cost) a 1MHz (high cost)


Encoder assoluto

Può essere monogiro/multigiro (max 16 bit per giro)Può avere la codifica di tipo:

binario (vantaggioso quando si vuole risparmiare tempo nella decodifica)BCD (vantaggioso per visualizzazione diretta su display)Gray (cambia un solo bit per volta; multipli di 2n / eccesso)ASCII (protocolli di comunicazione standard o dedicati: parallela, seriale SSI, analogica corrente, analogica tensione, Profibus, CANopen, DeviceNet, Interbus, EnDat, SUCOnet, Ethernet)

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Encoder assoluto

risoluzione massima singleturn: 18bitrisoluzione massima multiturn: 8192 x 4096mediamente più costoso di un encoder incrementalenon necessita di contatore e azzeramento


Encoder assoluto

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Encoder assoluto a scansione magnetica

ASIC sensor

Tecnologia emergenteminor numero di componenti rispetto ad un encoder otticomaggiore affidabilitàmaggiore duratatemp. operativa: -40 ÷ 125°Cmax 100.000rpmaccuratezza: sull’ordine di 0.2°uscite analogiche


Encoder assoluto a scansione magnetica

Encoder assoluto a scansione magnetica con maggiore risoluzione

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Resolver

Trasduttore analogico di posizione angolare assolutarobustissimo; tecnologia consolidatabuona immunità ai disturbinecessita di circuiti integrati dedicati per la codifica in forma numerica-digitale (es. RDC19200 series, AD2S80, AD2S90)

sincos

s r

c r

V V TRV V TR

θθ

= ⋅ ⋅

= ⋅ ⋅


Resolver

E’ composto da due parti principali: lo statore, fisso, ed il rotore, solidale con l’albero. Sullo statore vi sono due avvolgimenti disposti a 90°, dai quali si preleva il segnale. Fondamentalmente, un resolver produce due segnali proporzionali al seno e al coseno dell’angolo di rotazione del suo rotoreCaratteristiche principali:

numero di poli (in genere due)rapporto di trasformazione (tipicamente 0.5)tensione e frequenza di alimentazione (5÷15Vrms; 1÷15kHz)temperatura operativa (-50÷150°C)sfasamento ingresso-uscita (5÷20°)errore elettrico (sull’orine dei minuti o decine di minuti di grado)velocità massima (migliaia-decine di migliaia di giri al minuto)inerziatipo di accoppiamento (albero sporgente, cavo, built-in)

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Resolver

Rotore a 0°

Rotore a 45°

Rotore a 90°

Rotore a 135°

Tensioni di ingresso e di uscita in funzione dell’angolo meccanico

Inviluppo dell’uscita


Resolver

La conversione RDC ha una propria dinamicala conversione RDC introduce inevitabilmente un ulteriore errore nella misurail progettista deve considerare

frequenza di riferimentobanda passantevelocità massimanumero di bit (tipicamente 10-12-14-16)filtraggio ingressicompensazione della fase

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NCAPS (Non Contact Angular Position Sensor)

Trasduttore di posizione angolare assolutoNon troppo accuratosemplice e robustoeconomicodimensioni contenuteelettronica piuttosto complessanato per applicazioni automotive

EPAS (El. Power Assisted Steering)Steer-by-Wiresensore di posizione del volantesensore di coppia del volante


RCDT (Rotary Capacitive Displacement Transducer)

Trasduttore assoluto di posizione angolare

0 rACd

ε ε=

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Trasduttori di velocità

Dinamo tachimetrica


Trasduttori di velocità – Dinamo tachimetrica

E’ una dinamo vera e propria:

in pratica, sovrapposta alla tensione continua, vi è una componente alternata dovuta alla presenza del collettore; la sua frequenza dipende dalla velocità di rotazione (difficoltà di eliminazione con un filtro)non necessita di alimentazioneprecisione sull’ordine di qualche punto percentualecol tempo i magneti permanenti tendono a smagnetizzarsiaffetta dal problema dei contatti striscianti (usura spazzole, rumore elettrico)inerzia del rotore piuttosto elevatapiù usata in passato in abbinamento a sistemi di controllo analogici

diV K RI Ldt

= ΦΩ− −

LR

e K= ΦΩ V

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Accelerometri

lineari mono/bi/tri-assialirotazionali (MEMS)

sensibilità: mV/ms-2 o pC/ms-2

piezoelettricipiezoresistivimeccanicia reazione di forzacapacitivi

integrati (ADXL05, ADXL50 a sensore capacitivo)

La modalità con cui viene effettuato il montaggio influenza moltissimo la risposta in frequenza dell’accelerometro

massa sismica

Schema di principio di un accelerometro sismico


Accelerometri

Applicazioni tipiche:Automotive

air bagssospensioni attivesistemi di allarmefreni adattativi

crash testroboticacontrollo macchinemonitoraggio vibrazionianalisi modaleanalisi vibrazionalestrumentazionemonitoraggio sismicorivelatori d’impattoinclinometri

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Accelerometri piezoelettrici

Non misurano accelerazioni continuesmorzamento molto bassola frequenza di taglio inferiore (frazioni di Hz) è limitata dalla costante di tempo del cristallola frequenza di taglio superiore (alcune decine di kHz) è limitata dalla risonanza meccanical’amplificatore di misura deve avere un’impedenza di ingresso molto elevata (>1014Ω)cavo speciale (per attenuare il rumore triboelettrico)possono avere l’elettronica incorporatasensibilità trasversale piuttosto elevata (2÷4%)ampio range di temperatura operativa


Accelerometri piezoresistivi

Degli strain gauge misurano la deformazione delle molle che supportano la massapresentano un’ottima immunità contro i campi elettromagneticisono piuttosto sensibili alle variazioni di temperaturamisurano anche accelerazioni continue

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Accelerometri meccanici

Gli elementi molla e massa assumono una ben definita consistenzasensori: potenziometro/LVDT

frequenza di taglio superiore limitata (decine di Hz)sensore: strain gauge

frequenza di taglio superiore elevata (sulla decina di kHz)sensibilità trasversale sull’ordine dell’1%


Accelerometri capacitivi

la massa, muovendosi, fa variare la distanza tra le due armature di un condensatore (raramente lo spostamento supera i 20μm)in genere vi sono due condensatori: a parità di spostamento mentre nell’uno la distanza aumenta, nell’altro diminuiscele forze elettrostatiche non devono influire sulla posizione della massamisurano anche le accelerazioni continue

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Accelerometri termici

“Senza massa!”


Accelerometri termici – principio di funzionamento

Senza riscaldamento g = 0 g ≠ 0

Delle termocoppie permettono di misurare una differenza di temperatura, dalla quale si ricava l’accelerazione

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Accelerometri termici

innovativieconomici (qualche dollaro)bande passanti < 100Hzlow-noiseresistono fino a 50.000gApplicazioni

cellulari/palmarigiocattoliHVACantifurto per auto (Mercedes)


Sensori di campo magnetico

Sensori ad effetto HallSensori magnetoresistivi (MR, AMR, GMR, CMR e GMI(solo prototipi))Sensori magnetostrittivi

Unità di misura:S.I.

campo magnetico H: [A/m]induzione magnetica B: [T]

cgscampo magnetico H: [Oe]induzione magnetica B: [G]

4

7

4

101 4 10

1 10

1 1 nel vuoto

AOem

G T

G Oe

π

−

−

−

≡⋅

≡

↔

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Sensori ad effetto Hall (1879)

Si basano sulla forza di Lorentz:Essa devia il moto dei portatori di carica, dando luogo ad una d.d.p. trasversale.

L qF q v B= ⋅ ×r rr

1q

H

V KBI BI BIs nqs

V RI

μ ρ= = =

=

Br

Ir

v+r

v−r

F+

r

F−

r

V

s

x

yz

Si usano per lo più materiali semiconduttori con drogaggio di tipo n (GaAs, InAs, InSb);Un’opportuna scelta del materiale e del livello di drogaggio permette di ottenere un buon compromesso tra sensibilità e dipendenza dalla temperatura.

thin-film 2

4 5 2

10 100 / per conduttori metallici

10 10 / per semiconduttori compostiq

q

cm Vs

cm Vs

μ

μ

= ÷

= ÷


Trasduttore di corrente – Sensori ad effetto Hall

Bande passanti fino a 100kHzApplicazioni tipiche: pinze amperometriche, inverter

Schema di principio

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Sensori magnetoresistivi

L’effetto magnetoresistivo è stato scoperto da W. Thomson nel 1857, ma solo lo sviluppo tecnologico delle ultime tre decadi del XX secolo hanno permesso la sua applicazione nella sensoristica industriale e nelle testine di lettura di dischi e nastri.La magnetoresistività è la proprietà di alcuni materiali di cambiare la propria resistenza in funzione del campo magnetico applicato.Tali sensori ben si adattano all’integrazione all’interno dei circuiti integrati, per via delle loro piccole dimensioni e del basso costo.


Sensori magnetoresistivi – Magnetoresitenze (MR)

Si basano sulla forza di Lorentz:Essa devia il moto dei portatori di carica, allungandone il percorso e quindi aumentandola resistenza.Vengono usati materiali semiconduttori (InSb, InAs)

L qF q v B= ⋅ ×r rr

I I

0H = 0H ≠

I I

thin-film

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Sensori magnetoresistivi – Magnetoresitenze (MR)

Dipendenza della resistenza circa quadratica col campo magnetico (non lineari)ampie variazioni della resistenzaimpossibilità di distinguere il verso del campo applicatoforte dipendenza dalla temperaturaadatti a misurare i gradienti di campo magnetico (usando due sensori)possono venire abbinati a magneti permanenti di bias

T

-20°C0°C25°C60°C90°C120°C


Trasduttori di corrente

ShuntTrasformatore di correnteSonde ad effetto HallSonde ad effetto magnetoresistivo

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Trasduttori di corrente – Shunt

Si basano sulla legge di ohm:Adatti per la corrente continua e per l’alternata (fino ad una certa frequenza, anche elevata)

induttanza, effetto pelle, effetto di prossimitàerrori di rapporto e di fase

Semplici, robusti, affidabiliIntroducono una caduta di potenziale nel circuito di misuraProblema del riscaldamento:No isolamento galvanico

V RI=

2P RI=

RI

Morsetti amperometrici

Morsetti voltmetrici


Shunt

ISM 16009.025.6*1076425 μΩ100 kA1600 A

ISM 12009.0129*106720.05 mΩ100 kA1200 A

ISM 8009.081.4*107640.1 mΩ100 kA800 A

ISM 5009.0502.2*106620.25 mΩ100 kA500 A

ISM 3509.02005.6*105650.5 mΩ100 kA360 A

ISM 2509.02005.6*106621 mΩ100 kA250 A

ISM 2001.5502*105120.25 mΩ40 kA220 A

ISM 1001.52005*104141 mΩ40 kA120 A

ISM 50/21.72005*104102 mΩ20 kA70 A

ISM 50/52.12005*104185 mΩ20 kA60 A

ISM 50/102.52005*1042510 mΩ20 kA50 A

ISM 5P/51.4508*10485 mΩ5 kA40 A

ISM 5P/101.42002*104910 mΩ5 kA30 A

ISM 5P/201.52008*103820 mΩ5 kA20 A

ISM 5P/501.52001300550 mΩ5 kA10 A

ISM 3P/1001.3200130010100 mΩ3 kA10 A

ISM 3P/2001.050130013200 mΩ*3 kA8 A

peakRMSType &

datasheetWeight

KgBandwidth

MHzI2t

A2sPower

WNominal

resistanceCurrent rating

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Trasduttori di corrente – Trasformatore di corrente (TA)

Trasforma una corrente elevata in una corrente più bassa secondo un rapporto di trasformazione idealmente costante: Per correnti elevate (tipicamente oltre le decine di Ampere)Offre un isolamento galvanicoNon funziona in DC (lavora in un determinato range di frequenza)Precisione: si parla di classi (0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 3.0, 5.0), alle quali corrispondono dei prefissati limiti massimi per gli errori di rapporto e d’angoloPrestazione: valore limite del carico secondario (espresso in VA: 2.5÷30)

2 1I KI=

1I 2I

1R

0Z

1X 2X2R

cZ

12I

0I

α

2 1 0( )I I Iα= −

1I

2I

A

1N

2N

Avv. primarioAvv. secondario

typ: 1, 5 A

Connesso in serie


Trasduttori di corrente – Sonda ad effetto Hall

vedi anche sensori di campo magnetico

A misura diretta A compensazione di campo

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Trasduttori di tensione – Trasformatore di tensione (TV)

Trasforma una tensione elevata in una tensione più bassa secondo un rapporto di trasformazione idealmente costante: Per tensioni elevate (tipicamente oltre le migliaia di volt)Offre un isolamento galvanicoNon funziona in DC (lavora in un determinato range di frequenza)Precisione: si parla di classi (0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 3.0, 5.0), alle quali corrispondono dei prefissati limiti massimi per gli errori di rapporto e d’angoloPrestazione: valore limite del carico secondario (espresso in VA: 2.5÷500)

2 1V KV=

1I 2I

1R

0Z

1X 2X2R

cZ

12I

0I

α

1V 2V1V 2V V1N 2N

Avv. primario Avv. secondario

Connesso in parallelo


Bibliografia

1. J. Fraden, Handbook of modern sensors, second edition, Woodbury, NY, 19972. R. Frulla, Sensori e trasduttori industriali, Editrice Il Rostro, Milano, 19923. Brambilla, Teoria ed applicazioni dei trasduttori, Principato, 19824. M. Petternella, R. Vitelli, Strumentazione industriale – trasduttori e regolatori, UTET, Torino, 19815. Analog Devices - Transducer interfacing handbook - D.H. Sheingold -19806. Ambrosini, Perlasca, Lorenzi, Ocera, Sistemi e tecnologie, Tramontana, 19947. M.J. Caruso, L.S. Withanawasam, Vehicle detection and compass applications using AMR magnetic

sensor, paper.8. M.J. Caruso, T. Bratland, C.H. Smith, R. Schneider, A new perspective on magnetic field sensor,

paper.

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Sitografia

1. http://phobos.iet.unipi.it/~nannini/microsistemi.PDF2. www.strain-gauges.com3. www.ssec.honeywell.com4. www.sensormag.com5. www.memsic.com

Sensori e attuatori Innovazione indle - DPIA Udine Elettrici II/Sensori e... · se T1 ≠T2 => V...

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