Sensori e trasduttori Corso di Sistemi Automatici

SENSORI e
TRASDUTTORI
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Sensori e trasduttori
Sensore
Si definisce sensore un elemento sensibile in grado di rilevare
le variazioni di una grandezza fisica ( temperatura , umidità
, pressione , posizione , luminosità , velocità di rotazione) e di
fornire in uscita un’altra grandezza fisica (resistenza,capacità)
senza l’utilizzo di fonti di energia esterna .
Il mercurio , utilizzato nei termometri , è un sensore perché
a una variazione della temperatura, corrisponde una
variazione proporzionale di volume.
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Sensori e trasduttori
Un potenziometro a slitta è un esempio di sensore , poiché
a spostamenti lineari del cursore corrispondono variazioni
proporzionali della resistenza.
Un termistore NTC è un sensore di temperatura. Il
valore della resistenza è funzione della temperatura. Ad
ogni aumento della temperatura corrisponde una
diminuzione del valore della resistenza.
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Trasduttore
Un controllo di processo è costituito da circuiti elettrici che
non possono utilizzare direttamente la grandezza fisica
presente all’ uscita del sensore.
In molte applicazioni è
necessario trasformare la grandezza fisica in una
grandezza elettrica , tensione o corrente , direttamente
manipolabile dal controllo di processo.
Il dispositivo che opera la conversione fa uso di
energia elettrica esterna .
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Sensori e trasduttori
Parametri dei trasduttori
Un trasduttore di buona qualità deve possedere molteplici
requisiti , non ultimo quello del costo.
Le principali
caratteristiche fornite dalle case costruttrici sono :
Caratteristica di trasferimento
Linearità
Sensibilità
Range di funzionamento
Tempo di risposta
Isteresi
Risoluzione
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Caratteristica di trasferimento
Si definisce caratteristica di trasferimento di un
trasduttore la relazione che esiste tra la grandezza
d’uscita e quella di ingresso .
Se la caratteristica è lineare, allora la variazione della
grandezza di uscita è direttamente proporzionale a quella di
ingresso . In genere però la caratteristica non è lineare.
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Linearità
La linearità è il parametro del trasduttore che
evidenzia l’errore (deviazione) tra caratteristica ideale
teorica e la reale curva di trasferimento del trasduttore.
La deviazione è calcolata rispetto alla retta di equazione
y=mx+k che meglio approssima la caratteristica .
In realtà , non esiste uno standard definito di tale
parametro ; i costruttori forniscono definizioni di
linearità diverse.
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Sensibilità
Si definisce sensibilità di un trasduttore il rapporto tra la
variazione della grandezza d’uscita e la variazione di
quella di ingresso che la provoca . Si ha :
∆U
S=
∆I
Un buon trasduttore deve avere una grande sensibilità ,
ossia ad una piccola variazione della grandezza
d’ingresso deve corrispondere una grande variazione di
quella di uscita. Se la caratteristica ha un coefficiente
angolare molto elevato il trasduttore ha una buona
sensibilità perché…
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Sensibilità
… a parità di variazione della grandezza d’ingresso,
la variazione di quella di uscita e massima.
La caratteristica 2 ha sensibilità maggiore rispetto al
trasduttore avente come caratteristica la curva 1
perché , a parità di variazione dell’ingresso ∆I , risulta
∆U2 > ∆U2 .
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Range di funzionamento
Si definisce range di funzionamento la differenza
tra il valore massimo e quello minimo che può
assumere la grandezza d’ingresso.
Questa caratteristica rappresenta il campo di
funzionamento ottimale entro il quale sono garantite le
prestazioni del trasduttore.
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Tempo di risposta
Si definisce tempo di risposta il tempo impiegato dal
trasduttore a raggiungere un valore di regime.
Il tempo di risposta è un parametro dinamico , dovuto
all’inerzia del dispositivo. Nella pratica è il tempo
necessario perché l’uscita raggiunga il 90%÷98% del
valore finale.
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Isteresi
Molti trasduttori hanno caratteristica non univoca .
Essa è diversa a seconda che la grandezza
d’ingresso vari da un valore minimo a uno
massimo o viceversa.
Un trasduttore ideale non presenta isteresi e la
sua caratteristica è univoca.
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Risoluzione
La risoluzione è la minima variazione della
grandezza d’ingresso in grado di provocare una
variazione percettibile su quella di uscita.
Se è riferita alla sola grandezza d’uscita , esprime il
rapporto , in percentuale tra la minima variazione
della grandezza d’uscita e il valore di fondo scala.
 GRANDEZZA uscita (min) 
Risoluzione% = 
 100
 GRANDEZZA uscita (di F .S .) 
Un buon trasduttore presenta una risoluzione
molto bassa.
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Criteri pratici di scelta dei trasduttori
Un trasduttore ideale dovrebbe avere le seguenti specifiche :
•
•
•
•
•
•
caratteristica di trasferimento lineare
range di funzionamento ampio
alta sensibilità
bassa risoluzione
tempo di risposta nullo
assenza di isteresi
In realtà un generico trasduttore presenta solo qualcuna di
queste specifiche. E’ compito del progettista scegliere il
dispositivo che meglio si adatta all’apparato da realizzare.
In ogni caso la scelta non può prescindere dal costo e dalla
reperibilità…
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Criteri pratici di scelta dei trasduttori
Spesso la scelta di un trasduttore risulta condizionata da
un compromesso tra le varie specifiche.
In genere un buon trasduttore deve avere le seguenti
specifiche:
•
•
•
•
grande range della grandezza da controllare;
perfetta linearità per ottenere la massima precisione;
piccolo tempo di risposta;
bassa resistenza di uscita.
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Classificazione dei trasduttori
Esistono classificazioni diverse dei trasduttori.
Una prima classificazione ,basata sulla presenza o meno di
una fonte di energia esterna necessaria per il loro
funzionamento li distingue in :
trasduttori passivi
trasduttori attivi
Una classificazione basata sul tipo di segnale d’uscita
porta a distinguere i trasduttori in :
analogici
digitali
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Classificazione dei trasduttori
La classificazione più comune e forse più significativa dei
trasduttori è fatta in base alla grandezza fisica che esso
deve rilevare.
Si hanno :
trasduttori di temperatura
trasduttori di umidità
trasduttori di gas
trasduttori di luminosità
trasduttori di posizione
trasduttori di forza
trasduttori di velocità
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Trasduttori passivi
Sono quei trasduttori ai quali bisogna fornire energia
esterna perché la grandezza fisica di uscita possa essere
trasformata in grandezza elettrica .
Si pensi al potenziometro che fornisce in uscita valori di
resistenza diversi a seconda della posizione in cui si trova il
cursore .
Per la conversione delle variazioni di resistenza in variazioni
di tensione o corrente è necessario fornire energia al
potenziometro.
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Trasduttori attivi
Forniscono in uscita una grandezza direttamente
utilizzabile senza consumo di energia esterna .
In taluni casi il trasduttore fornisce in uscita una
grandezza elettrica che può essere manipolata dai circuiti
di elaborazione.
E’ il caso delle celle fotovoltaiche e delle termocoppie.
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Analogici
Presentano una caratteristica di trasferimento continua ;
la grandezza d’uscita e quella di ingresso variano con
continuità assumendo tutti i valori appartenenti ai numeri
reali.
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Digitali
Presentano una caratteristica di trasferimento che può
assumere solo due distinti valori , alto o basso ; al
valore alto si associa il livello logico “1” , mentre a
quello basso si associa il livello logico “0” .
Esempio di trasduttore di tipo ON/OFF è la lamina
bimetallica . Fornisce in uscita livello logico alto o
basso a seconda se la temperatura supera o meno la
temperatura di riferimento….
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Digitali
Alcuni trasduttori digitali forniscono in uscita un segnale
formato da un treno di impulsi .
Sono costituiti da un emettitore e da un ricevitore di
radiazione infrarossa disposti ortogonalmente rispetto a un
disco forato che ruota .
La frequenza del treno di impulsi dipende dalla velocità di
rotazione del disco e dal numero di fori.
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Trasduttori di temperatura
AD590
a semiconduttore
(Analog Devices)
E’ realizzato con materiale semiconduttore e produce in
uscita una corrente proporzionale alla temperatura (in gradi
Kelvin) . Il principio di funzionamento si basa sul fatto che
la tensione prelevata ai capi di una giunzione p-n
polarizzata direttamente varia di circa –2,3mV/K .
E’ un dispositivo a due terminali e per tensioni di
alimentazione nel range 4÷30V genera una corrente di 1µ
A/K…
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Trasduttori di temperatura
AD590
a semiconduttore
(Analog Devices)
Nelle applicazioni pratiche è necessario convertire il segnale
di uscita dell’ AD590 in tensione.
Numerosi sono i circuiti per la conversione I/V :
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Trasduttori di temperatura
AD590
a semiconduttore
(Analog Devices)
Molto spesso è necessario adattare il segnale alle specifiche dei
convertitori A/D .
I circuiti di condizionamento che seguono permettono di fissare il
valore dell’offset e del fattore di scala in relazione alle
caratteristiche del convertitore.
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Trasduttori di temperatura
LM35
(National)
a semiconduttore
E’ un trasduttore di temperatura che fornisce una tensione
di uscita proporzionale alla temperatura espressa in gradi
Celsius .
Per le sue caratteristiche il dispositivo può essere utilizzato
direttamente senza componenti aggiuntivi quando il range
di funzionamento non prevede temperature minori di 0°C …
Range di temperatura –55°C ÷ 125°C
Uscita lineare 10,0 mV/°C
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Trasduttori di temperatura
LM35
(National)
a semiconduttore
In figura un esempio di circuito di condizionamento.
Consente di ottenere una tensione Vo compresa nel range
1,25 ÷ 5V quando la temperatura varia tra 10°C e 40°C .
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Trasduttori di umidità
I sensori di umidità, sensibili alla quantità di acqua
nell’ambiente, rilevano l’umidità relativa definita come il
rapporto tra l’umidità assoluta (quantità di vapore acqueo
contenuta in un metro cubo di aria) e l’umidità di
saturazione (quantità di vapore acqueo massimo
contenuto in un metro cubo di aria)
U% =
Uass
100
Usat
In commercio si trovano sensori a :
variazione di capacità…
variazione di resistenza
variazione termica
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Trasduttori di umidità
a variazione di capacità
Il dispositivo è realizzato con un materiale dielettrico ,
non sensibile alle sostanze inquinati ; ha una costante
dielettrica relativa εr ed una capacità Cs che dipendono
dall’ umidità relativa.
La capacità del sensore è :
Cs = Co + ∆C
Dove Co è una capacità fissa riferita all’aria secca e ∆
C è la variazione di capacità dovuta alla variazione di
umidità relativa…
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Trasduttori di umidità
a variazione di capacità
Il sensore può essere inserito in un multivibratore
astabile per generare un’onda quadra la cui frequenza ,
funzione dell’ umidità relativa è :
1
f =
0,7 ⋅ ( Ra + 2 ⋅ Rb ) ⋅ C s
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Trasduttori di umidità
a variazione di capacità
Il circuito di condizionamento è composto da un
convertitore frequenza/tensione (LM331) necessario per
la conversione della frequenza del segnale prodotto dall’
oscillatore in una continua .
Volendo adattare il segnale di uscita del convertitore
f/V ad un convertitore A/D con range 0÷5V , si può
utilizzare il circuito descritto nel seguente schema a
blocchi
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Trasduttori di umidità
a variazione di capacità
Considerando che la tensione in uscita dal convertitore
f/V è :
Vout
RL
= f in ⋅ 2,09 ⋅ ⋅ ( Rt ⋅ Ct )
Rs
tarando opportunamente la Rs , la tensione d’uscita
aumenta di 1V per ogni kHz della frequenza del
segnale di ingresso.
L’amplificatore differenziale annulla l’offset , realizza il
fattore di scala ed inverte la pendenza della
caratteristica poiché questa presenta una
caratteristica con pendenza negativa.
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Trasduttori di umidità
a variazione di capacità
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Trasduttori di GAS
In generale un trasduttore di gas a semiconduttore è
costituito da un materiale sensibile (SnO2) ossido di
stagno , opportunamente drogato e da un riscaldatore.
Il principio di funzionamento è basato sull’aumento della
conducibilità elettrica quando la superficie porosa del
materiale è a contatto di una miscela di aria e di gas.
Il materiale drogante , rame per l’ossido di carbonio ,
platino per il metano , e la temperatura di riscaldamento
del materiale sensibile rendono il trasduttore selettivo al
rilievo di un gas specifico….
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Trasduttori di GAS
Il trasduttore a semiconduttore è formato da una cella
metallica, da un substrato ceramico , sul quale è depositato
il semiconduttore drogato ancorato a due elettrodi , e da
un filamento in grado di riscaldare l’ elemento sensibile fino
a 500°C….
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Trasduttori di GAS
Per convertire la variazione di resistenza in variazione di
tensione , si può utilizzare un partitore di tensione
resistivo , nel quale la resistenza del sensore RS è posta in
serie alla resistenza di utilizzazione RL o un ponte di
Wheatstone nel quale la resistenza del trasduttore RS è
disposta su un ramo del ponte…
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TGS813
Trasduttori di GAS
(Figaro)
E’ un trasduttore particolarmente adatto per il rilievo di
gas combustibili quali il metano , il butano , il propano
e l’ idrogeno . Non è molto sensibile ai gas tossici come
l’ossido di carbonio.
In figura è riportato il valore
normalizzato della resistenza RS
del trasduttore in funzione della
concentrazione di alcuni gas
espressa in ppm .
R0 è la resistenza del sensore
per una concentrazione di gas
metano di 1000 ppm. (5 ÷ 15KΩ)
RS è la resistenza del sensore
alle differenti concentrazioni di
gas.
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TGS813
(Figaro)
I fattori di conversione sono :
mg
6 µg
1 ppm = 1
= 10 3 = 0,0001%
litro
m
A titolo informativo in tabella sono riportate le
concentrazioni minime dei vari tipi di gas che causano
l’esplosione.
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TGS813
(Figaro)
Lo schema che segue è una semplice applicazione del
trasduttore come rilevatore di gas metano.
Il trimmer P1 e P2 permettono di fissare la tensione in
uscita in funzione della massima concentrazione di gas
ritenuta non pericolosa.
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TGS813
(Figaro)
Il partitore R3,R4,R5 genera la
tensione Vref necessaria per
annullare l’offset
In figura è proposto lo schema di un circuito di
condizionamento in grado di fornire una tensione di
uscita 0÷5V in presenza di concentrazioni di gas metano
comprese nel range 0÷3000 ppm
U1 (conf. non inv.)amplifica il
debole segnale VL
U2 (conf. differenziale) annulla
l’offset e realizza il fattore di
scala desiderato.
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TGS812
(Figaro)
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Il trasduttore TGS812 è simile e pin compatibile con il
TGS813. E’ adatto al rilievo del monossido di carbonio
(CO) (gas tossico) , dell’ isobutano (gas combustibile)
ed ai vapori organici (etanolo) .
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Sensore di posizione lineare (potenziometro)
E’ costituito da una resistenza racchiusa in un contenitore
metallico , nel quale scorre un asta metallica.
All’ esterno del contenitore sono riportati tre reofori detti
inizio , centro e fine
Valore resistivo nominale Rs =2kΩ
Corsa dell’asta 0÷50mm
Corrente max 10mA
La resistenza del sensore è misurata tra il terminale inizio e
centro e varia da 0Ω, quando l’asta e nella posizione L=0,
ad un valore massimo Rmax quando l’asta è nella posizione
L=Lmax …
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Sensore di posizione lineare (potenziometro)
Per un generico sensore la resistenza Rs , vale la relazione :
Rs = R + ∆R
dove Rs è la resistenza complessiva del potenziometro
misurata tra i terminali inizio e centro , R è il valore fisso
e ∆R è la variazione di resistenza dovuta allo
spostamento ∆L dell’ asta .
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Sensori e trasduttori
Sensore di posizione lineare (potenziometro)
Nello schema che segue è presentato il circuito di
condizionamento. E’ in grado di fornire una tensione
nel range 0÷5V quando l’asta del cursore subisce uno
spostamento di 0÷50mm ….
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Sensori e trasduttori
Sensore di posizione angolare
(potenziometro rotativo)
E’ utilizzato per misurare uno spostamento angolare.
Il dispositivo è costituito da un potenziometro a
spostamento angolare la cui parte mobile , ruota in modo
da descrivere un angolo .
Valore resistivo nominale Rs =5kΩ
Rotazione meccanica 120°
Potenza max 1W
[RS 319-310]
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Sensore di posizione angolare
(potenziometro rotativo)
Esempio di conversione spostamento angolare/tensione.
La resistenza Rα misurata tra inizio e centro dipende dallo
spostamento angolare e la resistenza di utilizzazione Rc è
separata da quella del dispositivo con l’ AO al fine di non
caricare il sensore.
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Sensori e trasduttori
Sensore di posizione angolare
(potenziometro rotativo)
Nello schema che segue è presentato il circuito di
condizionamento. E’ in grado di fornire una tensione
nel range 0÷5V quando lo spostamento del cursore varia
tra 20° e 100° .
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Sensori e trasduttori
Sistema di acquisizione
E’ costituito da un trasduttore , da un circuito di
condizionamento e dal convertitore analogico digitale
A/D .
Il circuito di condizionamento adatta il segnale di
uscita del trasduttore alle caratteristiche del
convertitore e svolge le seguenti funzioni :
• Converte la grandezza fisica prodotta dal
trasduttore in un segnale in tensione ( conversione
temperatura/tensione , pressione/tensione …)
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Sensori e trasduttori
Sistema di acquisizione
• converte la pendenza della caratteristica quando la
grandezza di uscita del trasduttore descresce all’
aumentare della grandezza rilevata ;
• fornisce un segnale di uscita direttamente
proporzionale a quello di ingresso quando la
caratteristica del trasduttore non è lineare
(linearizzazione della caratteristica) ;
• fornisce una tensione uguale a zero quando il segnale
di uscita del trasduttore ha ampiezza minima
(regolazione dell’ offset) ;
• amplifica il segnale di uscita del trasduttore in modo
che il suo valore massimo sia compatibile con il
convertitore A/D
( regolazione del fattore di scala) ;…
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Sensori e trasduttori
Sistema di acquisizione
• limita la larghezza di banda del segnale di uscita del
trasduttore ;
• opera una separazione galvanica tra il circuito del
trasduttore e quello di acquisizione .
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Sensori e trasduttori
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