Il trasduttore nella catena di acquisizione dati .
Sensore
Condizionamento
Conversione (A/D)
(filtro +amplificatore)
La catena di acquisizione dati puo' essere schematicamente rappresentata da
quattro grandi blocchi logici nel seguente ordine: trasduzione,
,condizionamento, e, conversione A/D per adattare il segnale al PC.
Evidentemente, dalle caratteristiche di uscita del primo blocco dipende sia la
circuiteria di filtraggio sia quella di amplificazione che adatta il segnale
analogico alle caratteristiche d'ingresso del convertitore Analogico/ Digitale.
Per quanto concerne le realizzazioni pratiche bisogna porre molta attenzione
alle condizioni di lavoro del trasduttore. A questo scopo e' bene leggere
attentamente le documentazioni fornite assieme ai diversi prodotti. Queste
specificano sempre sia le caratteristiche generali del trasduttore sia i suoi limiti
fisici e le migliori condizioni ambientali di lavoro. A questo proposito e' bene
leggere la pagina titolata,Caratteristiche fisiche.
CONVERSIONE :
La conversione è la parte della catena di acquisizione dati in cui il dato analogico viene convertito in dato digitale
corrispondente. Questa conversione è eseguita dal ADC (Convertitore Analogico-Digitale), il quale ha in ingresso
il dato analogico che è già passato attraverso le fasi precedenti mentre in uscita ha il dato digitale su N bit con un
errore di un LSB in più o in meno. LSB è il bit meno significativo mentre MSB è il bit più significativo. Quindi si
può notare come la precisione è dovuta dal numero di bit e dalla massima ampiezza del segnale di ingresso, infatti
più valori di uscita ci sono in un arco di valori più il campionamento sarà preciso.
SISTEMI DI ....
ACQUISIZIONE: Per sistema di acquisizione dati,
si deve intendere qualsiasi sistema in grado di
rilevare e memorizzare grandezze analogiche e/o
digitali.
DISTRIBUZIONE: Consiste nell’inviare segnali
analogici o digitali ad attuatori come motori,
dispositivi riscaldati, relè,...
Architettura generale di
acquisizione e distribuzione dati
E’ composto da:un sistema di misura e contatto con
il mondo fisico,in grado di rilevare grandezze
fisiche come temperatura,velocità,ecc;
Un sistema con un’unità centrale che fornisce i
segnali di controllo e temporizzazione per i
sottosistemi di acquisizione e di distribuzione.
L’unità centrale esegue operazioni di elaborazione
e memorizzazione.
Un sottosistema che provvede a generare segnali di
uscita che devono comandare motori,relè ecc..
CICUITO DI
CONDIZIONAMENTO
E’ necessario utilizzare circuiti di condizionamento
la cui funzione è fondamentale per tutti i blocchi
successivi della catena di acquisizione. Infatti,un
corretto condizionamento assicura un buon
trasferimento dei segnali provenienti dai trasduttori
al convertitore ed elimina i disturbi ad esso associati.
I circuiti di condizionamento svolgono le seguenti
funzioni:conversione corrente - tensione,
amplificazione e traslazione di livello, isolamento,
filtraggio, linearizzazione.
Convertitore A/D
Il convertitore A/D ha il compito di trasformare il
segnale analogico presente al suo ingresso in un
segnale digitale a N bit. Ad un convertitore viene
applicata una corrente continua particolarmente
stabile detta tensione di riferimento (Vref), questa
tensione viene anche detta tensione di fondo scala
(Vfs). Il rapporto tra Vfs e due volte il numero dei
bit rappresenta la risoluzione del convertitore,
ovvero la più piccola tensione che applicata
all’ingresso produce un cambiamento del dato
digitale in uscita.
Sistema di distribuzione dati
Sistema di distribuzione ad un
solo canale
Nella figura riportata si presuppone che si debba agire su un
solo attuatore per il controllo di una determinata grandezza
fisica (velocità,posizione ec.).
In tal caso i dati digitali elaborati dal sistema a
microprocessore sono trasformati in dati analogici con un
convertitore D/A e, debbono essere stati
opportunamente filtrati se necessario, sono amplificati ed
inviati all’attuatore.
Il segnale in uscita dal convertitore o dal filtro non è in
grado di controllare direttamente l’attuatore che in genere è
un dispositivo che richiede per il funzionamento correnti e
tensioni elevate.Occorre eseguire su di esso un processo di
amplificazione.
CONVERTITORI A/D e D/A
I convertitori A/D e D/A sono realizzati in modo tale
da poter essere collegati direttamente con i
microprocessori per implementare sistemi di
acquisizione e distribuzione dati. Questi dispositivi
presentano alcuni pin collegabili direttamente con
quelli corrispondenti presenti sulla CPU.
Trasduttori:
E' un dispositivo in grado di trasformare le
variazioni di una grandezza fisica , normalmente
non elettrica , in un'altra grandezza , normalmente
di natura elettrica (tensione , frequenza o corrente).
E’ composto da due parti:
Sensore: un dispositivo che rileva le variazioni di
una grandezza modificando una delle proprie
caratteristiche fisiche,
Convertitore:E’ un circuito elettronico che
trasforma le variazioni di un parametro del sensore
in una variazione di una grandezza elettrica.
Il sensore spesso è sensibile a variabili che alterano
il risultato della misura primaria,quindi per ottenere un
buon funzionamento bisogna attenersi al data-sheet in
cui sono descritti:
• I parametri caratteristici del sensore ;
•Gli schemi dettagliati piu comuni di utilizzo;
• I circuiti di prova per verificare le
caratteristiche;
• I limiti di impegno.
Tipi di trasduttori:
Analogico: quando il suo segnale di uscita è
una grandezza elettrica che varia in modo
continuo mantenendo una doppia corrispondenza
con il valore della grandezza misurata
Digitale:quando il suo segnale di uscita è
composto da uno o più segnali digitali che
possono assumere ciascuno solo due livelli di
tensione identificati come 0 e 1.
Attivi: Quando forniscono in uscita un segnale
direttamente utilizzabile da circuiti di elaborazione senza
nessun consumo di energia elettrica.é il caso delle celle
fotovoltaiche e delle termocoppie.
Passivi: Sono quei trasduttori ai quali bisogna fornire
energia elettrica perché la grandezza fisica d’uscita
possa essere trasformata in una grandezza elettrica.Ad
esempio il Potenziometro che fornisce in uscita valori di
resistenza diversi, a seconda della posizione.
Parametri caratteristici dei sensori:
Caratteristiche di trasferimento:
E' il legame che intercorre tra la variabile da misurare
(ingresso) e il segnale elettrico di uscita del trasduttore.
I trasduttori la cui caratteristica è una retta sono detti
lineari.
Caratteristica dei Trasduttori; La Linearita’.
U
U=KI
tg=K
U=KI
U: La grandezza di uscita del sensore
I: La grandezza da misurare
K: Coefficiente angolare
I
Quando la retta non passa per l'origine la variabile
d'uscita è diversa da zero in corrispondenza del valore
nullo della variabile di ingresso. L'equazione è:
U=KI+offset
U=Grandezza di uscita
U=KI+offset
offset
I=grandezza d' ingresso
Si definisce offset il valore non nullo della
variabile di uscita corrispondente al valore
nullo della variabile d' ingresso.
Linearità:
Il funzionamento ottimale di un trasduttore è quello
definito da una caratteristica lineare.
La linearita è il parametro che evidenzia la deviazione
tra la retta (caratteristica teorica) e la curva reale.
La non linearità è il valore massimo della deviazione
rispetto alla curva teorica in valore assoluto riferito al
valore massimo del segnale di uscita.
Un sensore è buono quando la sua non linearità non è
superiore allo 0.1%.
Grandezza D’uscita
U=Grandezza di uscita
Caratteristica reale
Caratteristica Ideale
Deviazione
I=Grandezza d' ingresso
Range di funzionamento:
E' l'intervallo dei valori che può assumere la grandezza
che deve essere trasdotta.
Range di
Funzionamento
Saturazione
Zona lineare
Min
Max
Isteresi:
E' l' area racchiusa tra le due curve e rappresenta una
imprecisione di misura.
Sensibilità:
E' il rapporto tra la variazione della grandezza di uscita
e la variazione della grandezza d' ingresso che la
provoca.
S=
U
I
Più il coefficiente angolare della retta è elevato più il
trasduttore è sensibile e minore sarà il range di
funzionamento.
U
Maggiore pendenzaTrasduttore più sensibile.
Valore massimo di uscita
U1
U2
l
Tempo di risposta:
E' il tempo che il trasduttore impiega per raggiungere
in uscita il valore di regime corrispondente al valore d'
ingresso.
Risoluzione:
E' il rapporto percentuale tra la minima variazione
della grandezza di uscita in grado di essere rilevata e il
valore massimo del fondo scala.
Ripetibilità:
E' la capacità di un sensore di fornire sempre gli stessi
valori di uscita in corrispondenza dell' ingresso.
La Termoresistenza o RTD (Resistance Temperature
Detector Rivelatore di Temperatura a resistenza)
è un trasduttore di temperatura molto utilizzato in
applicazione industriale.Essa è costruita con
materiali metallici come il Platino ,Nichel e
Tungsteno.La legge della variazione della
resistenza con la temperatura ,lineare in un vasto
Range di funzionamento,è:
Rt=R0*(1+*T)
Il trasduttore di temperatura AD590
Il trasduttore di temperatura AD590 è un dispositivo
a due terminali,e per tensioni di alimentazioni nel
range 4/30V genera una corrente di A/K.
Contenitore AD590
(Visto dal Basso)
Nelle applicazioni pratiche si pone il problema di
convertire il segnale di uscita dell’AD590 in
tensione. Molto spesso è necessario adattare il
segnale alle specifiche dei convertitori A/D.La
conversione / V, è affidata ad un amplificatore
operazionale che,per le sue caratteristiche,oltre a
non caricare il segnale prodotto dal trasduttore,lo
amplifica:
Il Trasduttore di Pressione .
Per quanto riguarda i tipi di misurazioni effettuate si possono
distinguere tre categorie differenti: - misuratori di pressione
assoluta, ovvero riferita allo zero (vuoto); - misuratori di
pressione relativa, ovvero riferita alla pressione atmosferica; misuratori di differenze di pressione, ovvero misurano la
differenza tra due diverse pressioni.
Essi si differenziano in base all’effetto fisico sul quale si
basano,questo puo’ essere il tipo:
Capacitivo: è un condensatore la cui capacità varia quando una
delle due armature,costituita da una membrana,subisce una
deformazione non permanente per la sua struttura,a causa della
pressione ad essa applicata.Il trasduttore è poco sensibile alla
variazione di temperatura e presenta alta stabilità.
.
Effetto Hall (l'effetto Hall è la formazione d.d.p., detto potenziale di Hall,
sulle facce opposte di un conduttore elettrico dovuta a un campo magnetico
perpendicolare alla corrente elettrica che scorre in esso
):
è costituito da una membrana sulla quale si sposta
un piccolo magnete a causa della variazione di pressione.
I trasduttori ad effetto Hall trovano una vasta applicazione, ad esempio
per misure indirette di corrente o come interruttori di prossimita.
Nel primo caso, si misura il flusso magnetico causato dalla corrente
che circola in un filo, e da tale misura si ottiene l'entita di tale corrente.
Nel secondo caso viene generato un campo elettromagnetico che investe
il trasduttore ad effetto Hall:
quando un corpo arriva in prossimita delse nsore, determina una variazione
dell'induzione magnetica sul trasduttore
Piezoresistivo: è costituito da un semiconduttore la cui
resistenza varia per la deformazione meccanica (in genere un
incurvamento) di una membrana sotto l’azione di una forza
applicata.
Estensimetri.
Gli estensimetri sono componenti che subiscono
una variazione di resistenza quando sono
sottoposti a forze di trazione o compressione.
Essi sono utilizzati per la misura (Gauge)di
deformazioni e di forze e per le bilance
elettroniche (Misure di peso). L’intensità di
sollecitazione (Strain) deve essere contenuta nel
limite della validità della legge di
Hooke(Deformazione Elastica).
Gli estensimetri si possono classificare nel seguente
modo:
Estensimetri filiformi metallici o a strato
metallico: sono realizzati con materiale metallico
filiforme (Platino,Nichel-cromo,ecc)e variano la
loro resistenza al variare delle dimensioni sia di
lunghezza che sezione.
Estensimetri Piezoresistivi: sono 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.
Estensimetri Piezoelettrici:sono realizzati con
cristalli di quarzo.
Essi generano una variazione di tensione quando
sono sottoposti a sollecitazioni di natura
meccanica
Gli estensimetri piezoelettrici sono maggiormente
utilizzati perché è possibile integrare l’elemento
semiconduttore sensibile, L’Amplificatore,il
Circuito di Linearizzazione e quello di
Compressione su un unico chip.
Dinamo Tachimetrica.
La dinamo tachimatrica è una macchina elettrica
che trasforma energia meccanica in energia
elettrica. Nei sistemi di controllo la dinamo è
utilizzata come trasduttore analogico che
trasforma una velocità angolare in una tensione
continua.
Encoder
L’Encoder è un trasduttore digitale che trasforma
una velocità angolare in un treno di impulsi
compatibili con segnali TTL e CMOS.
Il dispositivo è costituito da un disco forato,che
puo’ essere metallico ,di vetro o metacrilico,da un
fotodiodo trasmettitore e da un fototransistor
ricevitore.
Trasduttori Meccanici
I trasduttori meccanici trasducono la variazione di una grandezza fisica
in ingresso, in una variazione di una grandezza meccanica in uscita.
Essa può ' essere uno spostamento se il trasduttore e' del tipo libero
oppure una forza se e' del tipo vincolato. Per quanto riguarda le
applicazioni, i tipi maggiormente diffusi sono:
· deformazione meccanica.
· deformazione elastica;
· dilatazione termica.
Trasduttori Pneumatici
Questi trasduttori svolgono la funzione inversa di quelli meccanici. Essi,
difatti, convertono uno spostamento in una variazione di pressione
proporzionale. La realizzazione più comune e' quella del tegolo-ugello
che offre ottime prestazioni ed una grande varietà di applicazioni.
L'unico inconveniente e' che l'uscita di questo tipo di trasduttori e',
solitamente, un segnale di bassa potenza.
