sensori e trasduttori

Sensori e Trasduttori
SENSORI E TRASDUTTORI
Ing.Francesco M. Raimondi
www.unipa.it/fmraimondi
Lezioni del corso di
Automazione Industriale
Dipartimento di Ingegneria dell’Automazione
e dei Sistemi
Automazione Industriale 1
Ing. F.M. Raimondi
Sensori e Trasduttori
LA STRUMENTAZIONE DI MISURA
OCCORRENTE
PER
UN
SISTEMA
AUTOMATICO,
CON
RETROAZIONE DELLE VARIABILI DI PROCESSO (PV), VIENE
SCELTA TRA UNA VASTA TIPOLOGIA DI SENSORI E TRASDUTTORI
STANDARDIZZATI DISPONIBILI OGGI SUL MERCATO, CON AMPIA
SCELTA DI MARCHE DI COSTRUTTORI DIVERSI.
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Un Trasduttore e’ un dispositivo (device) in
grado di convertire una grandezza fisica,
(come la temperatura, PH, salinità, peso,
movimento, presenza, assenza, apertura,
chiusura, prossimità, vapore, allagamento,
corrente elettrica, infrarosso, ultravioletto,
gas, fiamma,
contatto, l’illuminazione, lo
spostamento, l’umidità, pressione, forza,
velocità,)
in
un
segnale
(come
una
tensione o una corrente elettrica) che può
essere utilizzato, da qualunque PLC, per
ottenere una misura o la lettura della
grandezza in questione e poter applicare
la legge di controllo implementata dal
progettista del Sistema Controllore.
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La grandezza fisica misurata è
quella in uscita dal trasduttore e da
tale valore si può risalire alla misura
dalla grandezza in ingresso al
trasduttore attraverso l’elemento
sensibile, del trasduttore stesso, alla
grandezza fisica di interesse.
In effetti la terminologia più
comunemente
utilizzata
come
sinonimo di trasduttore è quella di
sensore che si riferisce ad un
dispositivo che racchiude al suo
interno solo l’elemento sensibile.
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Se
utilizzassimo
un
dispositivo
realizzato solo dall’elemento sensibile
non sarebbe in genere utilizzabile per
un sistema di controllo.
Si aggiungono ulteriori circuiti che
realizzano la Compensazione della
caratteristica di funzionamento del
sensore e il condizionamento del
segnale di uscita.
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In generale l’operazione di compensazione è la procedura
che consente di controbilanciare o appunto compensare, la
eventuali sorgenti di disturbo o di errore conosciute, quali ad
esempio sbalzi di temperature o esposizione a fonti
elettromagnetiche.
Le fonti sconosciute che causano errori sulle misure vengono
trattati da dispositivi esterni agli elementi di trasduzione.
Nelle foto si vedono due trasduttori meteo – climatici
compensati in temperatura; in particolare questi sensori
attuano la compensazione riscaldando o raffreddando
l’equipaggiamento di trasduzione, proteggendolo dagli sbalzi
di temperatura eccessivi , trattandosi di trasduttori che durante
il normale funzionamento devono essere esposti agli agenti
atmosferici, mantenendolo ad una corretta temperatura di
funzionamento.
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OPERAZIONI PER IL CONDIZIONAMENTO DEL SEGNALE
Le operazioni di Condizionamento del Segnale sono quelle che
intervengono a modificare le caratteristiche del segnale stesso come:
L’AMPLIFICAZIONE,
che consente di modificare il livello del segnale occorrente per il
trattamento delle informazioni;
IL FILTRAGGIO,
che
consente
di
eliminare
selettivamente
alcune
componenti
armoniche o determinati disturbi di cui si è a conoscenza;
LA LINEARIZZAZIONE,
che consente di rendere lineare la caratteristica nel caso in cui non si
presenti con tale richiesta.
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UN ESEMPIO DI TERMOMETRO A
MERCURIO.
In un termometro l’elemento sensore è il
mercurio nel quale esso associa in maniera
sufficientemente
lineare
a
ciascuna
temperatura una dilatazione.
La presenza del capillare serva ad amplificare
la dilatazione prodotta dall’elemento sensibile
che viene rilevata da una linea graduata in
gradi Celsius o Fahrenheit per la lettura della
temperatura rilevata.
L’insieme costituito dall’elemento sensibile,
dall’apparato di amplificazione, e da quello di
lettura
costituisce
un
trasduttore
di
temperatura
chiamato
comunemente
termometro
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I Trasduttori in commercio possono fornire in
uscita segnali di diverso tipo come di tipo
meccanico (lo spostamento di un ago) o
pneumatico (la pressione di un fluido).
Nella maggioranza dei sistemi di controllo si
impiegano trasduttori che forniscono in
uscita un segnale di tipo elettrico per il
fatto che sono più facilmente utilizzabili nei
sistemi di controllo a PLC.
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TRASMETTITORE.
Un dispositivo spesso molto utilizzato nei sistemi di
controllo industriale è il cosiddetto trasmettitore.
Esso è un trasduttore che ha un segnale di uscito
in corrente, tipicamente variabile in un campo
compreso tra un valore minimo di 4 mA e un
valore massimo di 20 mA.
IL vantaggio che presenta il segnale in corrente è
quello di essere meno sensibile ai disturbi rispetto
ed un segnale in tensione e quindi risulta più
efficace in fase di trasmissione; da ciò il nome di
trasmettitore dato al dispositivo.
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Nel caso si abbia un trasduttore con un
segnale di uscita in tensione e lo si
debba trasmettere a distanza, per
evitare il degrado del segnale è possibile
convertirlo in un segnale in tensione.
In alternativa a problemi
creati
appositamente, dall’impiego di soluzioni
complesse, si preferisce utilizzare un
dispositivo di controllo nella cosiddetta
configurazione a bordo macchina,
utilizzando vantaggiosamente trasduttori
standard con uscite in tensione.
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CLASSIFICAZIONE DEI
TRASDUTTORI
(segnale di uscita).
In funzione del tipo di segnale
fornito in uscita, i trasduttori
si
classificano in:
ANALOGICI,
se forniscono in uscita un segnale
che assume nel tempo tutti i valori
nel campo di funzionamento.
DIGITALI,
se forniscono in uscita un segnale
che può assumere due soli valori, 0
e 1.
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CLASSIFICAZIONE DEI TRASDUTTORI
(modo di alimentazione)
In funzione del modo con il quale viene generata la potenza
del segnale di uscita, i Trasduttori possono essere classificati in
AUTOGENEREANTI,
quelli a cui non è necessario fornire dall’esterno alcuna
alimentazione o eccitazione in quanto l’energia presente nel
segnale di uscita è ricavata direttamente dal segnale presente
in ingresso.
MODULANTI,
quelli che devono essere alimentati o eccitati con una
sorgente dello stesso tipo della grandezza di uscita. In questo
tipo di dispositivi la grandezza fisica d’ingresso modula il
segnale di eccitazione o di alimentazione.
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TRADUTTORI A CONVERSIONE
DIRETTA E INDIRETTA
Non tutti i trasduttori realizzano una conversione diretta
della grandezza di ingresso in un segnale elettrico
effettuando le eventuali azioni amplificazione, filtraggio e
linearizzazione.
Alcuni trasduttori per impieghi specifici, realizzano una
doppia conversione. Alcuni trasduttori di portata utilizzano
l’effetto termico per la misure finale della portata. In
questi dispositivi si realizza una doppia conversione dove
nella prima la portata è convertita in una temperatura e
successivamente la temperatura è convertita in un
segnale elettrico.
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PARAMETRI E CARATTERISTICHE DEI DISPOSITIVI DI MISURA:
CARATTERISTICA DI FUNZIONAMENTO;
CURVA DI CALIBRAZIONE;
CARATTERISTICHE STATICHE;
CAMPO DI FUNZIONAMENTO;
VALORE DI SOGLIA E RISOLUZIONE;
SENSIBILITA’;
OFFSET;
ERRORE E ACCURATEZZA;
PRECISIONE;
ISTERESI;
ERRORE DI NON LINEARITA’;
STABILITA’;
CAMPO OPERATIVO DI TEMPERATURA;
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CARATTERISTICA DI FUNZIONAMENTO,
La Caratteristica di Funzionamento ovvero la
rappresentazione grafica della caratteristica ingresso –
uscita di un trasduttore che nel caso di dispositivi
lineari viene raffigurata come una retta e dunque in tali
condizioni l’ingresso e l’uscita sono legati da una
relazione di proporzionalità:
In tale situazione è sufficiente conoscere il fattore di
proporzionalità K del dispositivo per determinare il
valore della grandezza d’ingresso, una volta misurato
il valore dell’uscita:
xin =
1
⋅ yout
K
yout = K ⋅ xin
Nel caso del termometro la caratteristica di
trasferimento può essere considerata lineare come
illustrato nella figura accanto:
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CURVA DI CALIBRAZIONE,
Nella realtà, i trasduttori non sono lineari è e la rappresentazione grafica della
relazione ingresso uscita è una curva, come nella figura. In tal caso per risalire
dalla grandezza di uscita a quella di ingresso è necessario ricorrere a una
procedura grafica: segnato il valore di uscita OUT1 sull’asse si determina il
corrispondente punto sulla curva e quindi il valore della grandezza di ingresso
IN1 corrispondente.
La caratteristica di funzionamento è anche detta Curva di Calibrazione.
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CICLO DI CALIBRAZIONE,
La Calibrazione è quella procedura nel quale si fa
corrispondere al valore misurato del trasduttore il
valore noto della grandezza d’ingresso.
Il Ciclo di Calibrazione è la procedura di
calibrazione di un trasduttore realizzata per tutti i
valori di uno specificato campo della grandezza
di ingresso, sia per valori crescenti sia per valori
decrescenti.
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CURVA DI CALIBRAZIONE,
La Curva di Calibrazione è ottenuta ripetendo più volte un ciclo di
calibrazione (almeno tre volte) e riportando su di un grafico i valori medi
misurati, in funzione dei valori somministrati alla grandezza di ingresso.
La Curva di Calibrazione di un trasduttore è ottenuta realizzando un
cosiddetto ciclo di calibrazione nel quale vengono forniti in ingresso al
dispositivo valori noti della grandezza da misurare, variandoli da 0 al
valore di fondo scala (FS) per ritornare poi, per valori decrescenti, a 0.
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CICLO DI CALIBRAZIONE,
Nel Ciclo di Calibrazione viene ricavata una tabella di
corrispondenza tra i valori noti in ingresso e quelli
corrispondenti misurati in uscita, che può quindi essere
rappresentata graficamente e fornire la curva di calibrazione
del trasduttore.
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CARATTERISTICHE STATICHE,
LE CARATTERISTICHE DEL TRASDUTTORE RILEVATE IN
CONDIZIONI DI REGIME, QUANDO LA GRANDEZZA DI USCITA HA
RAGGIUNTO IL VALORE FINALE PREVISTO PER NON VARIARE
ULTERIORMENTE.
CAMPO DI FUNZIONAMENTO.
Il campo dei valori della grandezza di ingresso al trasduttore per i quali il
dispositivo
funziona
correttamente
è
detto
CAMPO
DI
FUNZIONAMENTO o RANGE o SPAN del dispositivo. Specificato in
genere fornendo il valore massimo o Valore di Fondo Scala (FS), e il
valore minimo della grandezza di ingresso.
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VALORE DI SOVRACCARICO.
Nel caso in cui il valore del segnale di ingresso di un trasduttore
sia maggiore del FS del dispositivo si possono verificare due
situazioni:
Il Valore di Sovraccarico non è tale da danneggiare in maniera
permanente il trasduttore e quando il segnale di ingresso
ritorna all’interno dello SPAN il dispositivo ritorna a operare
correttamente. Si tiene conto che la condizione di sovraccarico
può aver determinato condizioni di saturazione che occorre
rimuovere prima di ritornare a operare correttamente; il tempo
necessario per ritornare alle condizioni di operatività dopo una
condizione di sovraccarico viene detto Tempo di Recupero del
Trasduttore.
Se il valore di sovraccarico è tale da danneggiare il trasduttore
in maniera permanente, il dispositivo deve essere sostituito e in
tale situazione si tiene conto del parametro indicato come
Tempo Limite di Sovraccarico e viene fornito come valore
percentuale rispetto al FS.
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VALORE DI SOGLIA
Il Valore di Soglia in Ingresso o Banda Morta, definito come il
valore minimo di cui deve variare la grandezza in ingresso
perché l’uscita assuma valori diversi.
RISOLUZIONE
Il Potere Risolutivo o Risoluzione, definito come il più piccolo
valore di cui può variare la grandezza di uscita.
La Risoluzione di un dispositivo è generalmente espressa
come percentuale della variazione minima della grandezza di
uscita, riferita al valore di FSO.
RISOLUZIONE =
∆Ymin
⋅ 100
FSO
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SENSIBILITA’
La Sensibilità di un Trasduttore o di un sensore è definita come la
variazione della grandezza di uscita corrispondente a una variazione
unitaria dell’ingresso.
Dunque tanto maggiore risulta la sensibilità, tanto maggiore sarà il livello
di segnale di uscita in corrispondenza di un valore della grandezza in
ingresso. Nel caso di un trasduttore con caratteristica in-out lineare, la
pendenza della retta costituisce il valore della sensibilità del trasduttore
e si determina con:
∆Y
S=
∆U
Se la caratteristica non è lineare il valore della sensibilità in un punto è
pari alla pendenza della tangente alla curva nel punto e si determina
con:
dY
S=
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dU
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OFFSET
L’OffSet viene impostato nei casi in cui il trasduttore,
alimentato correttamente e con segnale in ingresso
pari a 0, presenta un segnale in uscita non
corrispondente con il valore 0 dell’ingresso.
L’ OffSet si imposta anche quando un valore di
tensione in uscita deve corrispondere a determinati
valori della grandezza di ingresso.
Nel caso in cui sia presente invecchiamento del
dispositivo, il trasduttore potrà subire variazioni
ovvero Drift dei parametri OffSet e Sensibilita. Si
deve procedere a ritaratura del trasduttore o a
immediata sostituzione.
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ERRORE E ACCURATEZZA
I sensori o trasduttori introducono un errore nella misura,
dato dalla differenza algebrica tra il valore misurato e il
valore vero della grandezza.
Il Campo Di Variazione dell’Errore di un sensore è il campo
di valori che può assumere l’errore in relazione a un valore
di riferimento; Tale campo è in genere espresso come
l’errore massimo relativo al valore di fondo scala FSO
(Fondo Scala dell’Output).
EB = ±
ε max
FSO
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ACCURATEZZA
L’Accuratezza di un sensore è il rapporto tra l’errore massimo e il
valore di fondo scala FSO riportato in percentuale. Tale
parametro per gli strumenti di misura è anche detto Classe di
Precisione.
ACCURATEZZA =
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ε max
FSO
⋅100
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CLASSE DI PRECISIONE.
Tale Parametro per gli strumenti di misura è anche detto classe di
precisione.
Con precisione si intende, in genere, la capacità dello strumento di ripetere
le misure in tempi diversi fornendo gli stessi risultati; il termine è quindi
riferito più alla ripetitività della misura che all’errore assoluto commesso.
Con accuratezza si indica , invece, lo scostamento tra valore vero e valore
misurato determinato dagli errori sistematici dello strumento.
Classe di Precisione di un Trasduttore.
La classe di precisione di un trasduttore è definita come il rapporto tra il
valore massimo dell’errore assoluto che può essere commesso dallo
strumento e il valore di fondo scala, espresso in percentuale.
CPT =
ε max
FSO
⋅100
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ISTERESI,
La curva di calibrazione di un trasduttore è ottenuta realizzando un
cosiddetto ciclo di calibrazione nel quale vengono forniti in ingresso al
dispositivo valori noti della grandezza da misurare, variandoli da 0 al
valore di fondo scala (FS) per ritornare poi, per valori decrescenti, a 0.
Si verifica che per un ingresso pari al 50% dal FS si ha un valore di uscita
pari al 41% del FSO (Full Scale Output) se il valore di ingresso è
raggiunto per valori crescenti, un valore di uscita pari al 59% del FSO se
il valore di ingresso è raggiunto per valori decrescenti.
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ISTERESI,
La curva di calibrazione in figura presenta un isteresi molto
accentuata. Nella quasi totalità dei trasduttori e presente il
fenomeno dell’Isteresi ma meno accentuata rispetto al caso in
figura e in molti casi tale da essere trascurata.
Per ciascun valore dell’isteresi la differenza tra i due valori
dell’uscita costituisce l’errore introdotto dall’Isteresi.
Il valore massimo di tali scostamenti, riferito al FSO ed espresso in
percentuale, viene detto errare di isteresi del trasduttore:
εH % =
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εH
FSO
⋅ 100
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ERRORE DI NON LINEARITA’,
ε NL % =
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ε NL
FSO
⋅ 100
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STABILITA’,
La caratteristica presentata da un trasduttore di
mantenere invariati parametri e prestazioni nel tempo
è la stabilità, intesa come la possibilità di riprodurre o
di ripetere nel tempo gli stessi valori realizzati in fase
di calibrazione, operando nelle medesime condizioni
operative.
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CAMPO OPERATIVO DI TEMPERATURA,
Alcuni trasduttori sono particolarmente sensibili alla
temperatura. Per tali dispositivi è necessario fornire il
Campo di Operatività di Temperatura OTR ovvero il
campo delle temperature in cui il trasduttore opera
correttamente.
Le variazioni di temperatura comportano una variazione
del funzionamento del sensore stesso e quindi un errore.
Il valore massimo dell’errore nel Range di ingresso,
quando la temperatura varia tra i valori estremi dell’OTR,
viene definito errore dovuto alla temperatura.
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CLASSIFICAZIONI DEI TRASDUTTORI
IN BASE ALLA GRANDEZZA RILEVATA,
Posizione Rettilinea:
Potenziometro Rettilineo;
Riga Ottica;
Risolutore Lineare;
Trasduttore ad Ultrasuoni;
Trasduttore magnetostrittivo senza contatto;
Trasformatore Differenziale Variabile Lineare – LVDT;
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CLASSIFICAZIONI DEI TRASDUTTORI
IN BASE ALLA GRANDEZZA RILEVATA,
Posizione Angolare:
Potenziometro Rotativo;
Trasduttore Synchro;
Trasduttore Resolver;
Trasduttore a Capacità;
Encoder Ottico Assoluto;
Encoder Ottico Incrementale;
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Automazione Industriale 35
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CLASSIFICAZIONI DEI TRASDUTTORI
IN BASE ALLA GRANDEZZA RILEVATA,
Prossimità e Contatto:
Sensore a Effetto Hall;
Sensore a Induzione;
Sensore Pneumatico;
Sensore a Ultrasuoni;
Sensore Ottico;
Sensore Capacitivo;
Sensore Meccanico;
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Automazione Industriale 36
Sensori e Trasduttori
CLASSIFICAZIONI DEI TRASDUTTORI
IN BASE ALLA GRANDEZZA RILEVATA,
Vibrazione:
Accelerometri;
Sensori Piezoelettrici
Sensori Acustici;
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CLASSIFICAZIONI DEI TRASDUTTORI
IN BASE ALLA GRANDEZZA RILEVATA,
Peso e Deformazione:
Sensori Estensimetrici;
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Automazione Industriale 38
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CLASSIFICAZIONI DEI TRASDUTTORI
IN BASE ALLA GRANDEZZA RILEVATA,
Velocità:
Dinamo Tachimetrica;
Ruota con sensore Magnetico;
Encoder Ottico Incrementale;
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Automazione Industriale 39
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CLASSIFICAZIONI DEI TRASDUTTORI
IN BASE ALLA GRANDEZZA RILEVATA,
Livello:
Trasduttore a Conduttività;
Trasduttore a Pressione Idrostatica;
Trasduttore Capacitivo;
Trasduttore a Tasteggio Elettromeccanico;
Trasduttore a Ultrasuoni;
Trasduttore a Lamelle Vibranti;
Trasduttore a Microonde;
Trasduttore Laser;
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Automazione Industriale 40
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CLASSIFICAZIONI DEI TRASDUTTORI
IN BASE ALLA GRANDEZZA RILEVATA,
Portata:
Strozzamenti a Pressione Differenziale;
Trasduttore a Magneto Induttivo;
Trasduttore a Vortice;
Trasduttore a Volumetrico;
Trasduttore a Ultrasuoni;
Trasduttore a Microonde (per solidi);
Trasduttore a Resistenza (per Gas);
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Automazione Industriale 41
Sensori e Trasduttori
CLASSIFICAZIONI DEI TRASDUTTORI
IN BASE ALLA GRANDEZZA RILEVATA,
Pressione:
Trasduttore Capacitivo;
Trasduttore Induttivo;
Trasduttore Estensimetrico;
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Automazione Industriale 42
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CLASSIFICAZIONI DEI TRASDUTTORI
IN BASE ALLA GRANDEZZA RILEVATA,
Temperatura:
Termistore NTC;
Termistore PTC;
Rivelatore RDT;
Termoresistenza;
Termocoppia;
Trasduttore Raggi Infrarossi;
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Automazione Industriale 43
Sensori e Trasduttori
CLASSIFICAZIONI DEI TRASDUTTORI
IN BASE ALLA GRANDEZZA RILEVATA,
Umidità:
Sensore a Cella Elettrolitica;
Sensore Capacitivo;
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Automazione Industriale 44
Sensori e Trasduttori
CLASSIFICAZIONI DEI TRASDUTTORI
IN BASE ALLA GRANDEZZA RILEVATA,
Acidità / Alcalinità (PH):
Elettrodo a Vetro;
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Automazione Industriale 45
Sensori e Trasduttori
CLASSIFICAZIONI DEI TRASDUTTORI
IN BASE ALLA GRANDEZZA RILEVATA,
Singolo Colore:
Colorimetri;
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Automazione Industriale 46
Sensori e Trasduttori
CLASSIFICAZIONI DEI TRASDUTTORI
IN BASE ALLA GRANDEZZA RILEVATA,
Immagini:
Sensore CCD;
Sensore CMOS;
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Automazione Industriale 47