trasduttori: generalità

Trasduttori
1. Notizie generali
2. Definizioni
3. Classificazioni
4. Parametri caratteristici:
4.1
Caratteristica di trasferimento
4.2
Campo di misura
4.3
Risoluzione
4.4
Sensibilità
4.5
Linearità
4.6
Precisione
4.7
Tempo di risposta o Prontezza
4.8
Affidabilità
4.9
Campo dei valori d’uscita
4.10
Altre caratteristiche
5. Criteri di scelta dei trasduttori
Trasduttori : notizie generali
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1. Notizie generali sui trasduttori
I trasduttori sono i dispositivi che consentono ai sistemi
di controllo automatico di conoscere con continuità il valore
delle grandezze fisiche controllate
Sistema di misura di un controllo automatico
Trasduttore + Condizionatore
Segnali rilevati
Sul campo
Sistema
misurato
Segnali comunicati al
sistema preposto al
controllo del processo
Alimentazione
Trasduttore
Sensore
Convertitore
Condizionatore
Trasduttori : notizie generali
Sistema
utilizzatore
della misura
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Sistema
misurato
Sensore:
Convertitore:
Trasduttore
Sensore
Convertitore
Condizionatore
Sistema
utilizzatore
della misura
Fornisce il segnale di base, legato alla misura
della grandezza da controllare
Trasforma il segnale di base, generalmente in un
segnale di tipo elettrico
Condizionatore: Conferisce al segnale base convertito, le proprietà più
idonee per essere interpretato dall’unità di controllo
Trasduttori : notizie generali
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2. Trasduttore: definizioni
Trasduttore = binomio sensore - convertitore
“ Un trasduttore di misura è un dispositivo che rileva un’informazione
su una variabile fisica e la converte in un segnale, della stessa o diversa
natura, ad essa legato da una legge di corrispondenza ben determinata”
Esempio:
Termometro
Sensore: mercurio
Convertitore : capillare
Il capillare trasforma in altezza la variazione
di volume del mercurio quale sensore
ΔT = T1 - T0
VT1 = VT0 ( 1 + φ ΔT )
Trasduttori : notizie generali
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3. Classificazioni dei trasduttori
Caratteristica utilizzata ai fini della classificazione
Grandezza
misurata
Posizione:
 distanza
 Prossimità o
presenza
Apporto
energetico
Trasduttore
 attivi
 passivi
Segnale
d’uscita
Ubicazione
rispetto
alla macchina per
cui operano
Analogici
Interni
Digitali
Esterni
Movimento:
 spostamento
 velocità
 accelerazione
Azione dinamica:
 deformazione
 forza
 coppia
 pressione
Fenomeno fisico
sfruttato ai fini della
misura









Meccanici
Elettrici
Elettromagnetici
Ottici
Acustici
Ferroelettrici
a semiconduttori
Magnetici
Termici
N.B La stessa grandezza
fisica può essere
misurata ricorrendo
a fenomeni diversi.
Esempio: Temperatura:
sensori termici
sensori ferroelettrici
con semiconduttori
Portata
Temperatura
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Apporto energetico
Trasduttori attivi:
Trasduttori passivi:
Il segnale in uscita è direttamente utilizzabile ovvero
non occorre energia esterna.
(es. il segnale non è di natura elettrica)
Il segnale in uscita necessita di energia esterna
per essere utilizzabile.
(es. il segnale è di natura elettrica e necessita essere
energizzato)
Trasduttori : notizie generali
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Trasduttori con segnali
d’uscita analogici:
Forniscono un segnale d’uscita di tipo continuo
e proporzionale al valore del segnale d’ingresso
Trasduttori con segnali
d’uscita digitali.
Forniscono un segnale d’uscita costituito da una
successione di segnali di tipo binario
Esempio: termostato a lamina bimetallica
V [volt]
1 : tensione presente
1
0 : tensione assente
0
Tempo [sec.]
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Ubicazione rispetto alla macchina per cui operano
Trasduttori interni:
Installati sull’automa ( in ambito di robotica industriale )
rilevano: posizioni;
velocità;
accelerazione del braccio;
sforzo della pinza.
Trasduttori esterni:
Misurano grandezze relative all’ambiente che circonda il robot
( distanza, il contatto, il riconoscimento)
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4. Parametri caratteristici
4.1 Caratteristica di trasferimento
“ La caratteristica di trasferimento di un trasduttore è costituita dalla legge
matematica, rappresentabile anche graficamente, che lega la grandezza
d’ingresso a quella d’uscita “
Caratteristica di trasferimento
Proporzionale ideale
U
Caratteristica di trasferimento
per ingressi crescenti nel tempo
(uscita)
Ut
Caratteristica di trasferimento
per ingressi decrescenti nel tempo
Ut
I
Imin
It-2 It-1
Imax
It
t
(ingresso ovvero
grandezza rilevata)
(tempo)
It+1 It+2
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Area d’isteresi: quantizza la
dissipazione di energia nel
trasferimento I/U
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4. Parametri caratteristici
4.2 Campo di misura o campo di funzionamento
“ Intervallo compreso tra i due valori estremi della grandezza rilevata”
U
(uscita)
Imin
Ut
Imax
Valori estremi
Rilevare valori esterni al
campo di misura può essere
pericoloso sia per il dispositivo
di misura che per l’uscita
Ut
Imin
Imax
It
Campo di misura
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N.B. Nella realtà ogni trasduttore fornisce,
in uscita, un segnale variabile a gradini
4. Parametri caratteristici
4.3 Risoluzione o potere risolutivo
“ La più piccola variazione della grandezza in ingresso capace
di provocare una variazione dell’uscita “
Trasduttore A
U
U
U(Ii+ΔI)
U(Ii+ΔI)
U(Ii)
U(Ii)
Ii
Valore di
soglia
Trasduttore B
Ii+ΔI
I
ΔI(A) = Risoluzione
Ii
Valore di
soglia
Ii+ΔI
I
ΔI(B) = Risoluzione
Valore di soglia: max variazione del segnale d’ingresso necessaria per ottenere un’uscita diversa da zero
ΔI(A) < ΔI(B)
Risoluzione del trasduttore A > risoluzione del trasduttore B
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4. Parametri caratteristici
4.4 Sensibilità
“Rapporto ΔU/ΔI tra la variazione della grandezza d’uscita e la variazione
della grandezza d’ingresso che la provoca”
U
Trasduttore A
Trasduttore B
U(Ii+ΔI)
U
U(Ii+ΔI)
ΔU
U(Ii)
ΔU
U(Ii)
Angolo β2
Angolo β1
Ii
Ii+ΔI
Ii
I
Ii+ΔI
I
ΔI
ΔI
Sensibilità trasd. A: SA = ΔU/ΔI = tg β1
tg β2 > tg β1
Sensibilità trasd. B: SB = ΔU/ΔI = tg β2
SB > SA
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4. Parametri caratteristici
4.5 Linearità
“ Un trasduttore è detto lineare quando ha una caratteristica di trasferimento
U = f(I) del tipo: U = k * I “
U
U=kI
( k = tg β )
Caratteristica
lineare ideale
Caratteristica
reale
β
U
I
-ΔU2
ΔU: errore di linearità di un trasduttore
“ scostamento max ΔU tra la caratteristica
teorica ideale e la caratteristica reale
( ogni trasduttore ha la sua definizione)”
Ur2
Ui2
Ui1
Ur1
ΔU1
β
I1
I2
I
ΔU1 = Ui1-Ur1 ; ΔU2 = Ui2-Ur2
ΔU = -ΔU2 = ΔUmax
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4. Parametri caratteristici
4.6 Precisione
“ Proprietà del dispositivo di fornire valori di misura il più possibile
vicini ai valori veri della grandezza misurata “
U
Ue2
Andamento del
valore effettivo
E2
Um2
Andamento del
valore misurato
Um1
E1
Ue1
I1
I
I2
Errore assoluto: E = Ue - Um
Precisione: P = E / Umax * 100
Umax: valore di fondo scala del trasduttore
La precisione del trasduttore dipende
dall’errore max Emax.
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4. Parametri caratteristici
4.7 Tempo di risposta o prontezza
“Tempo di risposta necessario affinchè l’uscita raggiunga un valore pari
ad un’elevata percentuale (90-95%) del valore di regime”
U
Andamento ideale
Andamento reale
U(It)
U(It) : uscita corrispondente a It
U=90-95% U(It)
I
It
t [secondi]
t
t : istante in cui viene rilevata
la grandezza d’ingresso It
t1 : istante in cui l’uscita
U = 90-95% U(It)
t2 : istante in cui l’uscita
U = U(It)
Tempo di risposta Δt = t1-t
t2
t1
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4. Parametri caratteristici
4.8 Affidabilità
“ Capacità del trasduttore di mantenere nel tempo invariati i parametri
di funzionamento “
Ad essa sono connesse:
Vita utile: Durata del dispositivo: [ numero ore di funzionamento]
[ numero di commutazioni ]
Le condizioni d’impiego:
Limiti entro i quali alcune grandezze, es. temperatura
o umidità devono essere mantenute per garantire il
corretto funzionamento del trasduttore
Il sovraccarico: Valore max, oltre il campo di misura, che può occasionalmente
essere applicato senza provocare la rottura del dispositivo
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4. Parametri caratteristici
4.9 Campo dei valori d’uscita
“Intervallo costituito dai valori elettrici estremi in uscita dal trasduttore”
V
(valore elettrico
dell’uscita)
Vmin: valore elettrico dell’uscita
corrispondente a Imin
VImax
Vmax: valore elettrico dell’uscita
corrispondente a Imax
VImin
Imin
Imax
I
Campo di misura
Il campo dei valori di uscita: ΔV = Vmax - Vmin
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4. Parametri caratteristici
4.10 Altre caratteristiche del trasduttore
L’impedenza d’uscita: Impedenza misurata tra i terminali d’uscita del trasduttore; la sua
conoscenza è essenziale per il corretto dimensionamento del
circuito elettrico ad esso collegato.
La risposta in frequenza: È l’intervallo di frequenza della grandezza d’ingresso per il quale
la risposta del dispositivo è uniforme.
L’insensibilità ai disturbi: Definisce il livello massimo che i disturbi possono raggiungere
senza alterare la misura
La stabilità termica: Esprime la reazione del trasduttore alle variazioni di temperatura
Il tempo di recupero: È il tempo di riattivazione del dispositivo dopo un sovraccarico
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5. Criteri di scelta dei trasduttori
Il trasduttore migliore è quello che più si avvicina alle condizioni ideali:
queste sono costituite da:
- linearità della caratteristica di funzionamento;
- elevata sensibilità;
- bassa risoluzione;
- tempo di risposta nullo;
- assenza di fenomeni d’isteresi
In ogni caso sarà bene avere:
- un grande campo di misura;
- un basso errore di linearità
- un piccolo tempo di risposta
- una bassa impedenza d’uscita
- un basso costo
- una buona reperibilità del dispositivo
o dei suoi componenti
- un soddisfacente rapporto costo/prestazioni
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