APPUNTI REDATTI DALL’ING. PROF. ANTONIO PONTILLO lez. 9 I TRASDUTTORI DI POSIZIONE Analizziamo i dispositivi che consentono una misura di spostamento. Si tratta di dispositivi che consentono di definire la misura di posizione di un oggetto rispetto ad una posizione di riferimento. Se lo spostamento da misurare é rettilineo e quindi la grandezza da misurare é un segmento rettilineo il trasduttore di posizione é detto rettilineo, se invece la posizione da individuare è angolare il, trasduttore di posizione é detto angolare. Bisogna dunque trasdurre uno spostamento lineare o angolare in una tensione. Ciò può essere realizzato mediante i dispositivi potenziometrici. Il Potenziometro I dispositivi potenziometrici sono trasduttori in grado di far corrispondere alla posizione di un elemento mobile, chiamato CURSORE, un valore di resistenza. In formule se chiamiamo x la posizione del generico elemento mobile risulta R = f ( x ) . Se alimentiamo il dispositivo con una corrente costante per la legge di Ohm si ha che possiamo prelevare una tensione che dipende dalla posizione dell’elemento mobile V( x ) = R ( x ) × I = g ( x ) . Consideriamo la classe dei potenziometri rettilinei. La figura seguente mostra un potenziometro rettilineo. Lo schema elettrico del potenziometro rettilineo é il seguente: vi sono due morsetti di alimentazione A e B ed il morsetto del cursore C. Tra il punto A e B é posta una resistenza R mentre l’uscita del sensore si preleva tra il punto C ed uno dei due morsetti A o B. Se il cursore ha raggiunto il fine corsa il punto C coincide con il punto B per cui tutta la resistenza R é inserita, al contrario se il cursore é a sinistra in
PAG.1­5 APPUNTI REDATTI DALL’ING. PROF. ANTONIO PONTILLO lez. 9 A la resistenza inserita é nulla. Il cursore striscia su di una struttura fatta a spirale come nel potenziometro a filo di figura. Limiti d’impiego Il contatto strisciante tra spira e spira determina una discontinuità della resistenza che varia a step. Se il dispositivo é realizzato con N spire il valore minimo di cui può variare l’uscita é V min = V cc
N , dove Vcc è la tensione di alimentazione. Di V cc V min
N × 100 = 100 . conseguenza la risoluzione del trasduttore vale ris % =
× 100 =
V cc V cc N Più elevato é il numero di spire e migliore è la risoluzione del dispositivo. Dopo un certo numero di cicli il trasduttore peggiore le caratteristiche in quanto il contatto strisciante usura il contatto. Dopo un certo numero di anni il dispositivo non funziona più. Tale tempo di funzionamento é chiamato VITA del dispositivo. I nuovi potenziometri Oggi questi problemi sono stati egregiamente risolti dai nuovi potenziometri chiamati Green Pot. Tali dispositivi sono realizzati in maniera un bel pò diversa dai vecchi potenziometri. Su un supporto ceramico si deposita del film metallico ad esempio particelle di carbone o grafite. I dispositivo che striscia sul film metallico é un dispositivo anti abrasione.
® La risoluzione é dunque buona
® il tempo di vita del dispositivo è lungo(milioni di cicli)
PAG.2­5 APPUNTI REDATTI DALL’ING. PROF. ANTONIO PONTILLO lez. 9 ® uscita stabile nel tempo
® risposta molto buona(molto veloce) Il potenziometro rotativo In figura é riportata invece la struttura di un potenziometro rotativo. Anche in questo potenziometro la resistenza si valuta tra uno dei due connettori fissi A o B ed il cursore C. Il dispositivo presenta un piccolo albero collegato al cursore in modo che la posizione dell’oggetto che ruota, calettato per mezzo di un piccolo giunto sull’albero, é individuata dall’angolo che l’albero forma rispetto ad una posizione iniziale. Il potenziometro può essere a singolo giro se la rotazione dell’albero é compresa tra [0:360]° o multigiro se maggiore. La tensione d’uscita vale se il dispositivo è alimentato
V out ( J ) = K q × q . Inserzione in un circuito Per evitare di caricare il potenziometro ed ottenere una tensione che non é più lineare con x bisogna disporre di un buffer costituito da un inseguitore di tensione che ha elevata resistenza d’ingresso come in figura.
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APPUNTI REDATTI DALL’ING. PROF. ANTONIO PONTILLO lez. 9 Un fattore critico che bisogna monitorare é la tensione di alimentazione del dispositivo che deve essere stabile e precisa. In tal caso possiamo allora affermare che se il morsetto B é a massa e misuro una tensione tra V out ( x ) = il cursore C e massa ottengo R x R K × V cc × V cc = x × V cc =
× x R - R x + R x R R PROGETTO Nella figura è riportato lo schema di un circuito di condizionamento di un trasduttore di posizione costituito da un potenziometro in grado di fornire una tensione nel range [O V : 5 V] quando l'asta del cursore mobile subisce uno spostamento nel range [O mm : 50 mm]. Possiamo pensare di utilizzare un convertitore di Howland usato come generatore di corrente che fornisce una corrente I =1mA al potenziometro resistivo. Le caratteristiche elettriche del sensore sono: • contenitore metallico inox flangiato; • valore resistivo nominale R S = 2 kW ; • corsa dell'asta O mm : 50 mm; • corrente max 10 mA.
PAG.4­5 APPUNTI REDATTI DALL’ING. PROF. ANTONIO PONTILLO lez. 9 P e r o t t e n e r e l e m i g l i o r i p r e s t a z i o n i è o p p o r t u n o c h e i l s e n s o r e s i a u t i l i z z a t o c o m e p a r t i t o r e d i t e n s i o n e e s i a a l i m e n t a t o c o n u n a i n t e n s i t à d i c o r r e n t e c o s t a n t e I=
E R p r o d o t t a d a l g e n e r a t o r e d i c o r r e n t e d i H o w l a n d . S u p p o n e n d o E = 1 2 V e d i m p o n e n d o u n a i n t e n s i t à d i c o r r e n t e I c o s t a n t e u g u a l e a d 1 m A , s i c a l c o l a n o i v a l o r i d e l l a r e s i s t e n z a R e d e l l a t e n s i o n e m a s s i m a V S :
R =
E 12 =
= 12 K W
I 1 × 10 - 3 (tolleranza 1%) V S ( L = 50 mm ) = 2 × 10 3 × 1 × 10 -3 = 2 V Per non caricare il potenziometro é consigliabile usare un V 0 5 = = 2 , 5 . Usiamo V S 2 R R un amplificatore non invertente per cui: G = 1 + 2 = 2 , 5 da cui 2 = 1 , 5 e R 1 R 1 amplificatore con ingresso a FET avente guadagno G = posto R1=10KW si ha R2=15KW. (val comm. 12 KW + 4,7 KW)
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