Sensori e attuatori per l’automazione
Corso di AZIONAMENTI ELETTRICI
Laurea specialistica in ingegneria dell’innovazione industriale
Università di Udine, sede di Pordenone
Docente: Luca Sgarbossa
Outline
Generalità sui trasduttori
Trasduttori di
temperatura
forza
coppia
posizione-spostamento
velocità
accelerazione
campo magnetico
corrente
tensione
pressione
portata
livello
umidità
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2
1
Sistema di controllo
Variabile
d’uscita
Riferimento
Regolatore
Attuatore
Processo da
controllare
Controllo ad azione diretta o a catena aperta
Riferimento
Regolatore
Attuatore
Processo da
controllare
Trasduttore
Variabile
d’uscita
Energia
Controllo in retroazione o a catena chiusa
3
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Generalità sui trasduttori
Elettrico
Trasduttore
grandezza
fisica da
misurare
grandezza
di uscita
Trasduttore
Pneumatico
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 temperatura
Trasduttore di velocità
Trasduttore di posizione
Trasduttore di pressione
Trasduttore di forza
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4
2
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.
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E
AM
BI
EN
T
AM
BI
EN
T
AM
BI
EN
T
E
E
AM
BI
EN
TE
Catena di trasmissione dati e relazioni con altri sistemi
Sistema misurato
E
E
AM
BI
EN
T
Dato in uscita
AM
BI
EN
T
AM
BI
EN
T
E
Conversione
AM
BI
EN
T
AM
BI
EN
T
Condizionamento
Sistema di controllo
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)
E
E
AM
BI
EN
TE
AM
BI
EN
T
AM
BI
EN
T
E
AM
BI
EN
T
E
AM
BI
EN
T
E
AM
BI
EN
T
Filtraggio
E
Trasduzione
E
AM
BI
EN
TE
Aux
Grandezza fisica in ingresso
Il trasduttore è in relazione con: sistema misurato, sistema
utilizzatore, sistema ausiliario, sistema ambiente
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6
3
Condizionamento dei segnali analogici
Scopi:
adattare il livello del segnale al convertitore A/D
preservare l’integrità del segnale lungo la linea di trasmissione
Tipi di connessioni:
single ended
differenziale
con isolamento galvanico
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Connessione single ended
Caratterizzata da una linea di ritorno comune
pro: nel caso che i canali da acquisire siano numerosi, è sufficiente un
multiplexer con un interruttore per canale
contro: 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
Trasduttore
Telaio 2
high end
low end
Zm
massa 1
I≠0
Ground loop
massa 2
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4
Connessione differenziale
Caratterizzata dall’assenza di un collegamento diretto tre le due masse
pro: 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
Trasduttore
Zm
I=0
massa 2
massa 1
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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 sicurezza
contro: più costoso rispetto ai metodi precedenti
Telaio 1
Telaio 2
Trasduttore
I=0
massa 1
massa 2
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5
Principali cause del Rumore
Principalmente generato da accoppiamenti indesiderati con sorgenti di
segnale estranee al circuito di misura
rumore per accoppiamento capacitivo:
rumore per accoppiamento induttivo:
si verifica in maniera rilevante quando segnali ad alta frequenza o con fronti ripidi hanno
percorsi adiacenti a circuiti che offrono un’elevata impedenza
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 è
dovuto 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 utilizzato
impedenza di uscita del trasduttore e di ingresso del sistema di acquisizione
lunghezza e percorso del collegamento
ampiezza del segnale
…
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Principali metodi per attenuare il Rumore
collegamenti i più brevi possibili
separare le linee di potenza da quelle di segnale
separare le linee analogiche da quelle digitali
segnali in corrente
uso di cavi con uno schermo metallico collegato a massa connesso da un
lato solo (preferibilmente lato acquisizione) per evitare ground loop
uso di cavi coassiali nelle connessioni single ended
doppino intrecciato schermato nelle connessioni differenziali
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6
Classificazione dei trasduttori
Esistono più modi per classificare i trasduttori:
In base al principio fisico
ottico, meccanico, pneumatico, elettrico
Classificazione
In base alla grandezza da misurare
lunghezza, temperatura, pressione, vibrazione
In base al settore di destinazione
agricoltura, chimica, robotica, manifatturiero
Altre classificazioni:
Attivo/Passivo
Analogico/Digitale
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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 incertezza
offset
errore di guadagno
ripetibilità
Isteresi
stabilità
Calibrazione
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7
Caratteristiche dei trasduttori
Caratteristiche dinamiche
funzione di trasferimento
risposta 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 frequenza
banda passante (fBW; -3dB)
smorzamento (ξ)
pulsazione naturale (ωn)
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Caratteristiche dei trasduttori
Caratteristiche ambientali
si riferiscono alle prestazioni del sensore dopo l’esposizione (c.a. non operative) o
durante l’esposizione (c.a. operative) a specifiche sollecitazioni esterne
i trasduttori spesso operano in condizioni operative diverse da quelle in cui sono
stati calibrati
es:
temperatura
accelerazione
vibrazione
pressione
umidità
campi elettrici
campi magnetici
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16
8
Caratteristiche dei trasduttori
Caratteristiche di affidabilità
sono 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
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Misura della temperatura
Il calore si trasmette per:
conduzione
convezione
irraggiamento
(sensori a contatto)
(sensori senza contatto)
Il sensore di temperatura deve influire il meno possibile sulla grandezza da
rilevare
Scale:
ridotta capacità termica del sensore
Celsius
Kelvin
Fahrenheit
Rankine
Reamur
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9
Misura della temperatura – errori nella misura
la temperatura misurata:
è una media della temperatura del corpo
dipende dagli errori dello strumento di misura
è legata al tempo di misura
dipende dall’operatore
è influenzata dalle capacità termiche del sensore e del corpo
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Trasduttori di temperatura
termocoppie
RTD (resistance temperature detector) o termoresistenze
termistori (thermal resistor)
sensori integrati
pirometro
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10
Trasduttori di temperatura - termocoppie
Sfruttano l’effetto termoelettrico o effetto Seebeck (1821)
se T1 = T2
se T1 ≠ T2
=>
=>
T2
V=0
V≠0
T1
V dipende dai materiali e da (T1-T2):
e = f (T1 , T2 ) ⋅ (T1 − T2 )
in prima approssimazione:
ETAB
= a1 (T1 − T2 ) + a2 (T1 − T2 ) 2 + a3 (T1 − T2 )3 + ... (termine lineare prevalente)
1 ,T2
Per la giunzione ferro-costantana (J):
a1 ≅ 51.7
μV
°C
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Trasduttori di temperatura - termocoppie
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+e2
qualora i giunti siano posti alle temperature t1 e t3.
e(t1 , t3 ) = e(t1 , t2 ) + e(t2 , t3 )
e(0, t ) = e(0, ta ) + e(ta , t )
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11
Trasduttori di temperatura - termocoppie
Legge dei metalli interposti
A
A
T1
T2
T1
B
B
T3
T2
A
T2
T1
B
C
B
C
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.
T1
C
A
B
T1
T3
D
B
D
T2
C
A
C
T2
T3
e = eAB (t1 , t2 ) + eCD (t2 , t3 )
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Trasduttori di temperatura - termocoppie
Type
Metallo 1
Metallo 2
Coeff. di temp. medio
Range di temp. [°C]
T
Rame
Costantana
48.2 μV/°C
-200 ÷ +400
J
Ferro
Costantana
51.7 μV/°C
-200 ÷ +700
E
Cromo
Costantana
60.9 μV/°C
-200 ÷ +1000
K
Cromo
Alluminio
40.5 μV/°C
-200 ÷ +1300
S
Platino
Platino – 10% Rodio
6.4 μV/°C
0 ÷ +1500
R
Platino
Platino – 13% Rodio
6.4 μV/°C
0 ÷ +1600
B
Platino – 6% rodio
Platino – 30% Rodio
--
0 ÷ +1800
G
Tungsteno
Tungsteno – 26% Renio
--
0 ÷ +2800
C
Tungsteno – 5% Renio
Tungsteno – 26% Renio
15 μV/°C
0 ÷ +2800
La scelta va fatta anche in base ad altri fattori, come la resistenza ad ambienti
aggressivi e all’ossidazione.
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12
Trasduttori di temperatura - termocoppie
Fe
e = f (T1 , T2 ) ⋅ (T1 − T2 )
Cu
V
T1
Costantana
T2
bagno di acqua e ghiaccio
Cu
hot junction
T2
cold junction:
compensazione (e.g. LT1025, AD594)
Le due giunzioni col
rame devono essere
alla medesima
temperatura
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Trasduttori di temperatura - termocoppie
Esempio di compensazione con LT1025
C
T2
A
B
T1
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13
termocoppie
Riferite a 0°C
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Trasduttori di temperatura - termocoppie
economiche
robuste – notevole resistenza meccanica
adatte anche ad ambienti ostili
stabili nel tempo
risposta pronta
ampio range di funzionamento
ampia scelta di metalli
non troppo precise e sensibili
bassa tensione di uscita (μV) – rumore
non lineari
Applicazioni tipiche:
forni ad induzione
forni per uso alimentare
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14
Trasduttori di temperatura - RTD
ρt = ρ0 (1 + α T )
in ogni conduttore metallico vale:
i materiali più usati sono platino (Pt100), rame, nichel
molto stabili
precisi
molto accurati
abbastanza lineari
costosi
soffrono del riscaldamento per effetto Joule
presentano una certa inerzia termica – lenti
collegamento a 4 fili
misure industriali di precisione da -200 fino a +1100°C
Applicazioni tipiche:
processi fotochimici
monitoraggio temperature nei processi alimentari
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Trasduttori di temperatura – RTD – Pt100
è il dispositivo più accurato e stabile nel range 0÷500°C
intaccabile dagli agenti chimici
punto di fusione molto elevato
caratteristica abbastanza lineare
Pt100
molto stabile nel tempo
––
lunga durata
I
V
R = 100Ω a 0°C
α = 3.54 °C-1 tra 250°C e 350°C
esempio: R = 280.90Ω a 500°C
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15
Trasduttori di temperatura - Termistori
Si basano sulla dipendenza della conducibilità dei semiconduttori dalla
temperatura
precisi
economici
non lineari
richiedono un’elettronica complessa
fragili
solitamente usati per misure di temperature ambientali
si basano sulle caratteristiche dei semiconduttori
caratterizzati da ampie variazioni della resistenza
(da 103 a 106 volte più sensibili degli RTD)
Applicazioni tipiche:
sistemi di riscaldamento
elettronica industriale e di consumo
telecomunicazioni
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Trasduttori di temperatura – Termistori – PTC
coeff. di temp. positivo
realizzati mediante silicio
andamento quasi parabolico della resistenza (in un certo range):
RT ≅ R25 (1 + αΔT + β ΔT 2 )
α = 7.68 ⋅10−3 °C −1
(tipico)
β = 1.88 ⋅10 °C
(tipico)
−5
−2
più sensibili alle alte temperature
problema dell’autoriscaldamento
intervallo di funzionamento ristretto
tipicamente usati per la protezione da sovraccarichi e surriscaldamento
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32
16
Trasduttori di temperatura – Termistori – NTC
coeff. di temp. negativo
realizzati mediante miscele di ossidi metallici sinterizzati
andamento tipicamente esponenziale della resistenza:
b
RT = aeT = R25e
⎛1 1 ⎞
b⎜ −
⎟
⎝ T T25 ⎠
con:
T temperatura assoluta,
a coeff. dipendente da forma e dimensioni,
b coeff. dipendente dal materiale
più sensibili alle basse temperature
fortemente non lineari
impedenza molto elevata
problema dell’autoriscaldamento
tipicamente impiegati fra -100°C e +400°C (alcuni tipi speciali possono arrivare fino a
+1200°C)
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33
Trasduttori di temperatura – sensori integrati
utilizzano le proprietà delle giunzioni a semiconduttore (diodi e transistor) di
avere tensione e corrente fortemente dipendenti dalla temperatura
affidabili
precisi
miniaturizzati
economici
lineari
range di temperatura piuttosto ristretto (-65 ÷ +150°C)
Applicazioni tipiche:
celle frigorifere
compensazione 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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17
Trasduttori di temperatura – Pirometro
Trasduttore elettrico a infrarossi che si fonda sulla trasmissione del calore per
radiazione elettromagnetica
Risposta proporzionale a T4 (non lineare)
non invasivo (es: parti in movimento o poco accessibili)
molto stabile
adatto a temperature anche elevate
range esteso
sensibilità maggiore alle alte temperature
costoso
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Trasduttori di forza
strain gauge (o estensimetro)
piezoelettrici
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18
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):
T=
F
ΔL
= ES = E
A
L
con T tensione meccanica, E modulo di Young, S deformazione.
Piccolo nei metalli
F
R=ρ
F
l
S
dR d ρ dl dS
=
+ −
ρ
R
l
S
Piezoresistività
Preponderante nei semiconduttori
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Trasduttori di forza – strain gauge (estensimetro)
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.
R = R0 (1 + GS )
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).
Estensimetro
a lamina
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19
Trasduttori di forza – strain gauge (estensimetro)
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 termica
comunemente si ha una sensibilità alla temperatura < 5 με/°C
si può ricorrere al dummy gauge
⎛ R3
⎞
R4
Vu = ⎜
−
⎟⋅ E
R
R
R
R
+
+
(
)
(
)
⎝ 1
3
2
4 ⎠
se R1 = R2 = R4 = R e R3 = R + ΔR
R2
R1
Vu =
Vu
E
ΔR
E
⋅
2 R + ΔR 2
0,5
0,3
R3
R4
Vu
E
0,1
-1
-0,5
-0,1
0
0,5
-0,3
Ponte di Wheatstone
1
ΔR
R
-0,5
http://www.dwiarda.com/scientific/Bridge.html
39
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Trasduttori di forza – strain gauge (estensimetro)
Ponte a due rami attivi (per compensare la temperatura)
R2
R1
E
Vu =
Vu
R3
ΔR
E
⋅
2 R + 2ΔRT + ΔR 2
R4
R1
R3
Fy
R3
Fx
R1
R3
Fx
R1
Fy
dummy gauge
Fx
dummy gauge
Adatti alla misura di trazione e flessione
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40
20
(Misure con il Ponte di Wheatstone…
Può accadere che il sensore debba essere posizionato lontano dal
ponte
R3
R2
R1
Rc
α = 0.4%
Rc
α = 0.4%
E
Vu
R4
I cavi di collegamento introducono un
errore sistematico nella misura
In questo caso la totale resistenza del ramo 3 vale R3′ = R3 + 2 Rc
La temperatura dei cavi di collegamento non è nota e non può essere
controllata, per cui…
41
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…Misure con il Ponte di Wheatstone…
Configurazione a tre fili
R3
R2
R1
Rc
α = 0.4%
Rc
α = 0.4%
Rc
α = 0.4%
E
Vu
R4
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…
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42
21
…Misure con il Ponte di Wheatstone…
Configurazione a quattro fili
R3
R2
R1
Rc
α = 0.4%
Rc
Rc
α = 0.4%
α = 0.4%
Rc
α = 0.4%
E
Vu
R4
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
43
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…Misure con il Ponte di Wheatstone…)
Azzeramento automatico del ponte
R
Vu
R
B
R3
R3 = R + ΔR
A
R
E
R4
Vu = −
ΔR E
R 2
Notare la linearità intrinseca del sistema
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44
22
Trasduttori di forza – strain gauge (estensimetro)
Utilizzabile anche in ambienti estremamente avversi:
-269°C ÷ 1300°C
aree soggette a radiazione
vibrazioni 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
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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
V
p
A
E
-Q
Strato metallico deposto
Materiale piezoelettrico
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46
23
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
pressione
vibrazione
onde acustiche (microfoni, idrofoni)
flusso
distanza (sonar)
prossimità
livello
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47
Trasduttori di coppia o Torsiometri
Trasduttore in grado di misurare una coppia meccanica
principio di funzionamento: misura della torsione di un albero
strain gauge
induttivo
magnetico a sfasamento
ottico
con o senza contatti striscianti
statico/dinamico
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48
24
Torsiometri statici
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49
A sensori strain gauge
Gli strain gauge sono installati sull’albero rotante deformabile, tipicamente
in configurazione a ponte di Wheatstone con 4 lati attivi
Problema: 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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50
25
A sensore induttivo
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51
A sensori magnetici a sfasamento
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52
26
A sensori ottici
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53
A sensori NCAPS
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54
27
Montaggio sospeso
Pro:
catena di trasmissione più corta
spazio occupato minore
frequenza di risonanza dell’albero più elevata
più economico
Contro:
velocità di rotazione ridotta
vibrazioni
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55
Montaggio ancorato
Pro:
velocità di rotazione massima più elevata
meno masse sospese
Contro:
catena di trasmissione più lunga
spazio occupato maggiore
frequenza di risonanza dell’albero minore
più costoso
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56
28
Sistema a due masse
B1
M1
M 2 ,ϑ2
M 1 ,ϑ1
1
sJ1 ω1
1
s
Δϑ
Kt +Bs
M2
1 ω2
sJ 2
ϑ1
1
s
ϑ2
B2
Δϑ ( s ) =
J2
J1
M 1 ( s) − 2
M 2 (s)
s 2 J1 J 2 + K t ( J1 + J 2 )
s J1 J 2 + K t ( J1 + J 2 )
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(Q = ∞)
57
Trasduttori di posizione-spostamento
Movimenti rotativi (single-multi turn)
potenziometri rotativi
encoder
resolver
NCAPS
induttivi RVDT
capacitivi RCDT
Movimenti rettilinei
potenziometri lineari
ad estensione di cavo
induttivi LVDT
LASER
magnetoresistivi
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58
29
Potenziometri
Trasduttore di posizione analogico
i più antichi dispositivi di trasduzione di posizione
può essere lineare o rotativo
può essere a filo (uscita discontinua) o a strato
attenzione all’effetto del carico, che riduce la linearità del sistema
problema dei contatti striscianti
R /R
Vout = α
I
Vout
x
= E =αE
l0
per Rout = ∞
1
out
−α 2 + α + Rout / R
Rout
=∞
R
Vout
E
0,8
0,6
E
R
Rout
=5
R
0,4
x
Vout
Rout
E
0,2
α=
0
0
0,5
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1
x
l0
59
Potenziometri
economico
poco affidabile per via dei contatti striscianti
scarsamente usato per misurare posizioni di parti importanti o critiche
spesso utilizzato come generatore di set-point, abbinato ad una scala
graduata
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60
30
Encoder
L’encoder è un apparato elettromeccanico che converte la posizione angolare
del suo asse rotante in un segnale elettrico digitale.
Può essere di tipo:
rotativo/lineare
tachimetrico, assoluto, incrementale e assoluto-incrementale
ottico/magnetico
ad albero
sporgente
cavo
semicavo
Vita della sorgente luminosa:
tipicamente > 100.000 ore
Temp. di lavoro tipica:
0 ÷ 70-100°C
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61
Encoder
Particolare cura deve essere posta nel montaggio
e nel collegamento elettrico
l’encoder non deve mai essere sollecitato
si devono contenere gli errori di allineamento (assiale, radiale, angolare)
si deve porre attenzione a temperatura, vibrazioni
cavi opportunamente schermati e più corti possibili
separare le linee di segnale dalle linee di potenza
trasmissione 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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62
31
Encoder
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63
Encoder
Utilizzazioni tipiche:
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64
32
Encoder incrementale
Fornisce l’incremento di posizione
Necessita di contatore e azzeramento iniziale
esistono encoder incrementali con batteria tampone
esistono encoder incrementali sinusoidali (per ovviare al problema della
larghezza di banda del segnale); es: 8192 periodi/giro – 2048 suddivisioni
moltiplicazione elettronica del numero di impulsi/giro (x2, x4)
max 90.000 impulsi/giro
da 200kHz (low-intermediate cost) a 1MHz (high cost)
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65
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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66
33
Encoder assoluto
risoluzione massima singleturn: 18bit
risoluzione massima multiturn: 8192 x 4096
mediamente più costoso di un encoder incrementale
non necessita di contatore e azzeramento
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67
Encoder assoluto
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68
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Encoder assoluto a scansione magnetica
Tecnologia emergente
minor numero di componenti rispetto ad un encoder ottico
maggiore affidabilità
maggiore durata
temp. operativa: -40 ÷ 125°C
max 100.000rpm
accuratezza: sull’ordine di 0.2°
uscite analogiche
ASIC sensor
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69
Encoder assoluto a scansione magnetica
Encoder assoluto a scansione magnetica con maggiore risoluzione
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70
35
Resolver
Trasduttore analogico di posizione angolare assoluta
robustissimo; tecnologia consolidata
buona immunità ai disturbi
necessita di circuiti integrati dedicati per la codifica in forma numericadigitale (es. RDC19200 series, AD2S80, AD2S90)
Vs = Vr ⋅ TR ⋅ sin θ
Vc = Vr ⋅ TR ⋅ cos θ
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71
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 rotore
Caratteristiche 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)
inerzia
tipo di accoppiamento (albero sporgente, cavo, built-in)
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72
36
Resolver
Tensioni di ingresso e di uscita in funzione dell’angolo meccanico
Rotore a 0°
Rotore a 90°
Inviluppo dell’uscita
Rotore a 45°
Rotore a 135°
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73
Resolver
La conversione RDC ha una propria
dinamica
la conversione RDC introduce
inevitabilmente un ulteriore errore nella
misura
il progettista deve considerare
frequenza di riferimento
banda passante
velocità massima
numero di bit (tipicamente 10-12-14-16)
filtraggio ingressi
compensazione della fase
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74
37
NCAPS (Non Contact Angular Position Sensor)
Trasduttore di posizione angolare assoluto
Non troppo accurato
semplice e robusto
economico
dimensioni contenute
elettronica piuttosto complessa
nato per applicazioni automotive
EPAS (El. Power Assisted Steering)
Steer-by-Wire
sensore di posizione del volante
sensore di coppia del volante
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75
RCDT (Rotary Capacitive Displacement Transducer)
Trasduttore assoluto di posizione angolare
C = ε 0ε r
A
d
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76
38
Trasduttori di velocità
Dinamo tachimetrica
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77
Trasduttori di velocità – Dinamo tachimetrica
V = K ΦΩ − RI − L
di
dt
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 alimentazione
precisione sull’ordine di qualche punto percentuale
col tempo i magneti permanenti tendono a smagnetizzarsi
affetta dal problema dei contatti striscianti (usura spazzole, rumore elettrico)
inerzia del rotore piuttosto elevata
più usata in passato in abbinamento a sistemi di controllo analogici
R
e =K ΦΩ
L
V
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78
39
Accelerometri
lineari mono/bi/tri-assiali
rotazionali (MEMS)
sensibilità: mV/ms-2 o pC/ms-2
piezoelettrici
piezoresistivi
meccanici
a reazione di forza
capacitivi
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
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79
Accelerometri
Applicazioni tipiche:
Automotive
air bags
sospensioni attive
sistemi di allarme
freni adattativi
crash test
robotica
controllo macchine
monitoraggio vibrazioni
analisi modale
analisi vibrazionale
strumentazione
monitoraggio sismico
rivelatori d’impatto
inclinometri
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80
40
Accelerometri piezoelettrici
Non misurano accelerazioni continue
smorzamento molto basso
la frequenza di taglio inferiore (frazioni di Hz) è limitata dalla costante di
tempo del cristallo
la frequenza di taglio superiore (alcune decine di kHz) è limitata dalla
risonanza meccanica
l’amplificatore di misura deve avere un’impedenza di ingresso molto elevata
(>1014Ω)
cavo speciale (per attenuare il rumore triboelettrico)
possono avere l’elettronica incorporata
sensibilità trasversale piuttosto elevata (2÷4%)
ampio range di temperatura operativa
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81
Accelerometri piezoresistivi
Degli strain gauge misurano la deformazione delle molle che supportano la
massa
presentano un’ottima immunità contro i campi elettromagnetici
sono piuttosto sensibili alle variazioni di temperatura
misurano anche accelerazioni continue
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82
41
Accelerometri meccanici
Gli elementi molla e massa assumono una ben definita consistenza
sensori: potenziometro/LVDT
sensore: strain gauge
sensibilità trasversale sull’ordine dell’1%
frequenza di taglio superiore limitata (decine di Hz)
frequenza di taglio superiore elevata (sulla decina di kHz)
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83
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 diminuisce
le forze elettrostatiche non devono influire sulla posizione della massa
misurano anche le accelerazioni continue
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84
42
Accelerometri termici
“Senza massa!”
85
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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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86
43
Accelerometri termici
innovativi
economici (qualche dollaro)
bande passanti < 100Hz
low-noise
resistono fino a 50.000g
Applicazioni
cellulari/palmari
giocattoli
HVAC
antifurto per auto (Mercedes)
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87
Sensori di campo magnetico
Sensori ad effetto Hall
Sensori 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]
cgs
campo magnetico H: [Oe]
induzione magnetica B: [G]
10−4 A
4π ⋅10−7 m
1 G ≡ 10−4 T
1 Oe ≡
1 G ↔ 1 Oe nel vuoto
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88
44
Sensori ad effetto Hall (1879)
r
r r
FL = q ⋅ vq × B
Si basano sulla forza di Lorentz:
Essa devia il moto dei portatori di carica, dando luogo ad una d.d.p. trasversale.
r
B
r
F+
x
r
v+
y
z
s
r
v−
r
I
V = KBI =
μq ρ
s
BI =
1
BI
nqs
V
= RH
I
r
F−
thin-film
μ q = 10 ÷ 100 cm 2 / Vs per conduttori metallici
μ q = 104 ÷ 105 cm 2 / Vs per semiconduttori composti
V
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.
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89
Trasduttore di corrente – Sensori ad effetto Hall
Bande passanti fino a 100kHz
Applicazioni tipiche: pinze amperometriche, inverter
Schema di principio
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90
45
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.
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Sensori magnetoresistivi – Magnetoresitenze (MR)
Si basano sulla forza di Lorentz:
r
r r
FL = q ⋅ vq × B
Essa devia il moto dei portatori di carica, allungandone il percorso e quindi aumentando
la resistenza.
Vengono usati materiali semiconduttori (InSb, InAs)
I
I
H =0
I
I
H ≠0
thin-film
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92
46
Sensori magnetoresistivi – Magnetoresitenze (MR)
Dipendenza della resistenza circa quadratica col campo magnetico (non
lineari)
ampie variazioni della resistenza
impossibilità di distinguere il verso del campo applicato
forte dipendenza dalla temperatura
adatti a misurare i gradienti di campo magnetico (usando due sensori)
possono venire abbinati a magneti permanenti di bias
-20°C
0°C
25°C
60°C
90°C
120°C
T
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93
Trasduttori di corrente
Shunt
Trasformatore di corrente
Sonde ad effetto Hall
Sonde ad effetto magnetoresistivo
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94
47
Trasduttori di corrente – Shunt
Si basano sulla legge di ohm:
V = RI
Adatti per la corrente continua e per l’alternata (fino ad una certa frequenza, anche
elevata)
induttanza, effetto pelle, effetto di prossimità
errori di rapporto e di fase
Semplici, robusti, affidabili
Introducono una caduta di potenziale nel circuito di misura
Problema del riscaldamento:
P = RI 2
No isolamento galvanico
Morsetti amperometrici
R
I
Morsetti voltmetrici
95
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Shunt
Current rating
RMS
peak
Nominal
resistance
Power
W
I2t
A2s
Bandwidth
MHz
Weight
Kg
Type &
datasheet
8A
3 kA
200 mΩ*
13
1300
50
1.0
ISM 3P/200
10 A
3 kA
100 mΩ
10
1300
200
1.3
ISM 3P/100
10 A
5 kA
50 mΩ
5
1300
200
1.5
ISM 5P/50
20 A
5 kA
20 mΩ
8
8*103
200
1.5
ISM 5P/20
30 A
5 kA
10 mΩ
9
2*104
200
1.4
ISM 5P/10
40 A
5 kA
5 mΩ
8
8*104
50
1.4
ISM 5P/5
50 A
20 kA
10 mΩ
25
5*104
200
2.5
ISM 50/10
60 A
20 kA
5 mΩ
18
5*104
200
2.1
ISM 50/5
70 A
20 kA
2 mΩ
10
5*104
200
1.7
ISM 50/2
120 A
40 kA
1 mΩ
14
5*104
200
1.5
ISM 100
220 A
40 kA
0.25 mΩ
12
2*105
50
1.5
ISM 200
250 A
100
kA
1 mΩ
62
5.6*106
200
9.0
ISM 250
360 A
100
kA
0.5 mΩ
65
5.6*105
200
9.0
ISM 350
500 A
100
kA
0.25 mΩ
62
2.2*106
50
9.0
ISM 500
800 A
100
kA
64
1.4*107
8
9.0
ISM 800
1200 A
100
kA
0.05 mΩ
72
9*106
12
9.0
ISM 1200
1600 A
100
kA
25 μΩ
64
5.6*107
2
9.0
ISM 1600
0.1 mΩ
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96
48
Trasduttori di corrente – Trasformatore di corrente (TA)
Trasforma una corrente elevata in una corrente più bassa secondo un
rapporto di trasformazione idealmente costante: I 2 = KI1
Per correnti elevate (tipicamente oltre le decine di Ampere)
Offre un isolamento galvanico
Non 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’angolo
Prestazione: valore limite del carico secondario (espresso in VA: 2.5÷30)
I1
N1
Connesso in serie
Avv. primario
Avv. secondario
I2
N2
A
typ: 1, 5 A
R1 X 1
I1
Z0
I12
R2 X 2
I0
I2
Zc
α
I 2 = α ( I1 − I 0 )
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97
Trasduttori di corrente – Sonda ad effetto Hall
vedi anche sensori di campo magnetico
A misura diretta
A compensazione di campo
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98
49
Trasduttori di tensione – Trasformatore di tensione (TV)
Trasforma una tensione elevata in una tensione più bassa secondo un
rapporto di trasformazione idealmente costante: V2 = KV1
Per tensioni elevate (tipicamente oltre le migliaia di volt)
Offre un isolamento galvanico
Non 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’angolo
Prestazione: valore limite del carico secondario (espresso in VA: 2.5÷500)
Connesso in parallelo
R1 X 1
V1
N1
N2
V2
V
V1
I1
Z0
I12
R2 X 2
I0
I2
V2 Z c
α
Avv. primario Avv. secondario
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99
Bibliografia
1.
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R. Frulla, Sensori e trasduttori industriali, Editrice Il Rostro, Milano, 1992
Brambilla, Teoria ed applicazioni dei trasduttori, Principato, 1982
M. Petternella, R. Vitelli, Strumentazione industriale – trasduttori e regolatori, UTET, Torino, 1981
Analog Devices - Transducer interfacing handbook - D.H. Sheingold -1980
Ambrosini, Perlasca, Lorenzi, Ocera, Sistemi e tecnologie, Tramontana, 1994
M.J. Caruso, L.S. Withanawasam, Vehicle detection and compass applications using AMR magnetic
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M.J. Caruso, T. Bratland, C.H. Smith, R. Schneider, A new perspective on magnetic field sensor,
paper.
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Sitografia
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www.strain-gauges.com
www.ssec.honeywell.com
www.sensormag.com
www.memsic.com
Laurea Specialistica in Ingegneria dell'Innovazione Ind.le - Docente: Luca Sgarbossa
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