MECCATRONICA
Modulo 5: componenti
meccatronici
Soluzioni
(concetto)
Wojciech Kwaśny
Andrzej Błażejewski
Politecnico di Wroclaw,
Istituto di ingegneria di fabbricazione
e di automazione,
Polonia
Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di
personale esperto nella produzione industriale globalizzata
Progetto UE no. 2005-146319 „Minos“, durata dal 2005 al 2007
Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 „MINOS++“, durata dal 2008
al 2010
Il presente progetto è finanziato con il
sostegno della Commissione europea.
L´autore è il solo responsabile di questa
pubblicazione (comunicazione) e la
Commissione declina ogni responsabilità
sull´uso che potrà essere fatto delle
informazioni in essa contenute.
www.minos-mechatronic.eu
Partners per la creazione, valutazione e diffusione dei progetti
MINOS e MINOS**.
-
Chemnitz University of Technology, Institute for Machine
Tools and Production Processes, Germany
np – neugebauer und partner OhG, Germany
Henschke Consulting, Germany
Corvinus University of Budapest, Hungary
Wroclaw University of Technology, Poland
IMH, Machine Tool Institute, Spain
Brno University of Technology, Czech Republic
CICmargune, Spain
University of Naples Federico II, Italy
Unis a.s. company, Czech Republic
Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic
Tower Automotive Sud S.r.l., Italy
Bildungs-Werkstatt Chemnitz gGmbH, Germany
Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany
Euroregionala IHK, Poland
Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen
Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora,
Poland
Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary
Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary
Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary
Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany
Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden
Articolazione del materiale didattico
Minos : moduli 1 – 8 (manuale, soluzioni e esercizi): Conoscenze
fondamentali/ competenze interculturale, gestione del progetto/
tecnica pneumatica/ azionamenti elettrici e controlli automatici/
componenti meccatronici/ sistemi meccatronici e funzioni/ attivazione,
sicurezza e teleservizio/ manutenzione remota e diagnosi
Minos **: moduli 9 – 12 (manuale, soluzioni e esercizi):
Prototipazione Rapida/ robotica/ migrazione/ Interfacce
Tutti i moduli sono disponibili nelle seguenti lingue: tedesco, inglese,
spagnolo, italiano, polacco, ceco e ungherese
Per ulteriori informazioni si prega di contattare
Dr.-Ing. Andreas Hirsch
Technische Universität Chemnitz
Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz
Tel.: + 49(0)0371 531-23500
Fax.: + 49(0)0371 531-23509
Email: [email protected]
Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch oder www.minos-mechatronic.eu
Componenti meccatronici
Minos
Indice:
1 Sensore ad induzione
1.1 Nozioni di base
1.2 Elementi costruttivi fondamentali
1.3 Sensori speciali
1.4 Alimentazione con corrente e principi di collegamento di sensori
1.5 Mezzi protettivi e sicurezza di sensori
2 Sensori capacitivi
2.1 Nozioni di base
2.2 Principio fisico
2.3 Funzionamento del sensore
2.4 Tipi di sensori capacitivi
2.5 Soppressione dei disturbi
3 Sensori ultrasonici
3.1 Principio fisico
3.2 Funzionamento dei sensori ultrasonici
3.3 Disturbi durante il funzionamento dei sensori
3.4 Sensori ultrasonici speciali
4 Sensori ottici
4.1 Elementi fotoelettrici
4.1.1 Principio fisico
4.1.2 Emettitori e rilevatori ottici
4.2 Tipi di sensori
4.3 Elaborazione dei segnali
4.4 Tipi speciali di sensori ottici
4.5 Tecnica di collegamento
5 Sensori magnetici
5.1 Nozioni di base
5.1.1 Il campo magnetico
5.1.2 Il contatto Reed
5.1.3 Effetti magnetici usati in sensori
5.2 Tipi di sensori magnetici
5.3 Sensori magnetici speciali
5.4 Principi di montaggio e applicazioni
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Componenti meccatronici
Minos
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Sensore ad induzione
1.1
Nozioni di base
Compito 1 Quale è la fonte del campo magnetico alternato in un sensore ad
induzione?
Una bobina d’induzione è la fonte del campo magnetico alternativo in un sensore ad induzione. Quando la corrente attraverso la
bobina cambia direzione il campo magnetico viene invertito.
Come cambia l’energia accumulata nel circuito risonante?
L’energia complessiva accumulata nel circuito risonante si compone dell’energia del campo magnetico della bobina d’induzione
EL e l’energia del campo elettrico del condensatore caricato EC.
L’energia complessiva è sempre costante: E = EL + EC = const.
All’inizio il circuito LC, che consiste della bobina L e del condensatore, è aperto e l’energia totale è immagazzinata sugli elettrodi
del condensatore caricato. Quando si chiude il circuito il condensatore inizia a scaricarsi e la corrente l inizia a circolare nel circuito. L’ampiezza cambia da zero fino a l max. Tutta l’energia del
condensatore viene immagazzinata nella bobina.
Come vengono generate le oscillazioni nel circuito LC?
Anche se il condensatore è già scaricato la corrente continua a
circolare nel circuito. La corrente la cui fonte è l’autoinduzione
nella bobina, carica il condensatore e così l’energia viene ritrasmessa al condensatore. Quando la carica del condensatore
è massima la corrente si azzera nel circuito. Lo stato finale è simile allo stato iniziale ma il condensatore è caricato con polarità
inversa e la corrente circola nella direzione opposta. Nel circuito
LC hanno quindi luogo le oscillazioni accoppiate del campo elettrico del condensatore e del campo magnetico della bobina.
Come si possono mantenere costanti le oscillazioni del circuito
oscillante?
Le oscillazioni del circuito oscillante possono essere mantenute
costanti quando viene alimentato da una fonte esterna con una
tensione sinusoidale.
In quali condizioni ha luogo la risonanza nel circuito oscillante?
Quando la frequenza delle onde esterne è pari alla frequenza
propria del circuito LC, l’ampiezza delle oscillazioni è massima.
In queste condizioni ha luogo la risonanza nel circuito oscillante.
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Componenti meccatronici
Minos
Quali condizioni vanno soddisfatte per generare oscillazioni nel
circuito LC?
Per generare oscillazioni si devono soddisfare due condizioni: la
condizione sulla fase e la condizione sull’ampiezza. La condizione sulla fase implica che la fase della tensione d’entrata deve
essere uguale alla fase della tensione d’uscita. La condizione
sull’ampiezza implica che l’amplificatore deve compensare completamente lo smorzamento del circuito oscillante.
1.2
Elementi costruttivi fondamentali
Compito 2 Com’è costituita la parte attiva del sensore?
La parte attiva del sensore induttivo contiene una bobina avvolta
su un nucleo di ferrite che crea un campo magnetico alternativo.
Il nucleo col circuito magnetico aperto rafforza il campo magnetico della bobina e lo indirizza nella zona d’azione del sensore.
Come avviene la misura della distanza fra l’oggetto e la bobina
in un sensore ad induzione?
In base al grado di smorzamento dell’ampiezza nel circuito oscillante, l’elettronica del sensore determina la distanza fra l’oggetto
e la bobina e genera il segnale d’uscita. Normalmente il segnale
ha due stati: l’oggetto si trova nel campo del sensore o no. In alcuni casi il segnale è anche analogico ed inversamente proporzionale alla distanza fra l’oggetto e il sensore.
Perché un sensore ad induzione dovrebbe avere un isteresi?
Il circuito oscillante elettronico del sensore contiene anche un
comparatore con isteresi e un sistema di output. Grazie all’isteresi si evitano disturbi del segnale d’uscita quando l’oggetto
di metallo è mobile oppure variano la temperatura e la tensione.
Che cos’è l’isteresi?
L’isteresi è la differenza tra la distanza alla quale il sensore reagisce quando si avvicina l’oggetto di metallo e la distanza alla
quale il sensore reagisce quando l’oggetto si allontana. In questo caso il segnale d’origine cambia da OFF(spento) ad ON (acceso). Il valore dell’isteresi dipende dal tipo e dalla grandezza
del sensore ed è minore del 20 % del raggio di azione.
Quanto vale la frequenza di lavoro di un sensore ad induzione?
La frequenza tipica di generatori LC nei sensore ad induzione è
alta (HF) ed è compresa tra 100 kHz ed 1 MHz. Più grande è il
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Componenti meccatronici
Minos
diametro della bobina maggiore è l’assorbimento di corrente e
più bassa è la frequenza massima.
Quanto è ampio il raggio d’azione di un sensore ad induzione e
quali involucri si utilizzano?
Il raggio d’azione di un comune sensore ad induzione è compreso nei 60 mm. L’involucro del sensore, di forma cilindrica o prismatica, è di metallo o plastica il che per un facile montaggio.
Qual è il raggio d’azione nominale del sensore?
La distanza fra oggetto e sensore a cui cambia il segnale di
output viene chiamata raggio d’azione nominale Sn. Questo valore viene indicato nei cataloghi.
Con quale campione si valuta il raggio d’azione nominale?
Il raggio d’azione nominale viene determinato in accordo alla
norma EN 60947-5-2 mediante una piastra quadrata di acciaio
(St37) di larghezza pari al diametro del sensore spessa 1 mm.
Qual è il raggio d’azione reale del sensore?
Il raggio d’azione reale Sr viene calcolato durante il processo di
produzione del sensore e può leggermente differire da Sn. Per la
tensione nominale alla temperatura nominale vale la condizione:
0.9 Sn ≤ Sr ≤ 1.1Sn .
Qual è il raggio d’azione garantito del sensore?
Nel raggio d’azione Sa ≤ 0.8 Sn, che rappresenta la distanza di rilevamento garantita tra l’oggetto e il sensore, questo può funzionare senza problemi, anche al variare di temperatura e tensione,
quale che sia raggio d’azione indicato a catalogo dal produttore.
Da cosa dipende il raggio d’azione nominale del sensore?
Il raggio d’azione nominale Sn dipende dal diametro della bobina
D e dalle caratteristiche del nucleo. Più piccolo è il sensore minore è il raggio d’azione nominale. Ci sono anche tipi speciali di
sensore con un raggio d’azione nominale maggiorato.
Perché si usa un coefficiente di correzione per i sensori ad induzione?
I materiali che hanno una resistenza elettrica minore dell’acciaio
St37 quali oro, rame o alluminio, smorzano in misura minore le
oscillazioni del circuito risonante. Queste differenze possono essere compensate limitando il raggio d’azione nominale. Se
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Componenti meccatronici
Minos
l’oggetto da rilevare è di ottone, si deve moltiplicare la zona nominale Sn indicata per l’acciaio con un coefficiente pari a 0,5.
In quale maniera la sensibilità del sensore dipende dalla sua
forma costruttiva?
Ci sono due forme costruttive di base per i sensori cilindrici:
- schermata, la bobina del circuito risonante è in involucro metallico che ricopre l’estremità del sensore
- non schermata, la bobina si trova chiusa soltanto in un cappuccio di plastica.
I sensori non schermati sono più sensibili agli oggetti di metallo.
Quale condizione si deve rispettare quando diversi sensori
schermati vengono installati vicini?
Un sensore cilindrico schermato è sensibile soltanto agli oggetti
di metallo che si trovano davanti al sensore. Perciò questi sensori possono essere istallati in elementi di metallo. La zona libera è
3xSn. La distanza minima fra sensori deve essere maggiore di
2xD per evitare interazioni.
Quale condizione si deve rispettare quando diversi sensori non
schermati vengono installati vicini?
Un sensore cilindrico non schermato è sensibile agli oggetti metallici su tre lati. Perciò il sensore va portato parzialmente fuori
dalla superficie di montaggio. Il raggio d’azione riprende anche i
lati del sensore. In questo caso la distanza minima fra i sensori
deve essere maggiore 3xD per evitare l’interferenza.
Qual è la frequenza massima di commutazione del segnale di
output?
Nella descrizione tecnica di ogni sensore viene dichiarata la frequenza massima caratteristica di commutazione del segnale di
output. Questa indica il numero di cambiamenti dell’uscita in un
secondo, allorché oggetti di acciaio St37 appaiono ciclicamente
nel raggio d’azione del sensore, in accordo alla norma EN 50
010/IEC 60947-5-2.
Quale frequenza massima di commutazione ci si deve aspettare
quando viene usato un oggetto diverso dalla piastra standard?
Il risultato della misurazione dipende sempre dalla grandezza
dell’oggetto, dalla sua velocità e dalla distanza tra l’oggetto e il
sensore. Se viene usato un oggetto più piccolo della piastra
standard o una distanza inferiore fra le piastre viene ridotta anche la frequenza massima del segnale di output.
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Componenti meccatronici
Minos
1.3
Sensori speciali
Compito 3 Come funziona un sensore induttivo ad anello?
Il funzionamento del sensore ad anello si basa su un oscillatore
ad alta frequenza che genera un campo magnetico elettrico nella
cavità del sensore. Viene usato un nucleo toroidale sinterizzato
con un fattore di qualità maggiore di un comune nucleo di ferrite.
La presenza di un oggetto di metallo causa una riduzione
dell’ampiezza delle oscillazioni. Il comparatore riconosce questi
cambiamenti e quando viene superato il valore limite il segnale
di output viene commutato.
Quali limiti ci sono per la grandezza degli oggetti da individuare
mediante un sensore induttivo ad anello?
Il sensore si attiva quando il campo magnetico viene sufficientemente smorzato. Gli oggetti molto piccoli possono creare uno
smorzamento troppo limitato. Perciò per ogni grandezza dei
sensori c’è una lunghezza o un diametro minimo dell’oggetto.
Ci sono delle prescrizioni per la traiettoria degli oggetti da rilevare con un sensore ad anello?
Non è indispensabile per i sensore ad anello che gli oggetti da rilevare abbiano tutti la stessa traiettoria. Grazie al volume
d’azione dell’anello si possono individuare oggetti indipendentemente dall’orientamento, ad es. oggetti che cadono in un tubo.
Quali conseguenze negative può avere l’influsso di forti campi
magnetici sui sensori ad induzione?
Se un sensore ad induzione si trova nell’area di saldatura, il segnale di output come conseguenza dell’influsso dei campi esterni
sul magnete può venire commutato in maniera incontrollata. Infatti viene indotta una tensione addizionale nella bobina che disturba il funzionamento dell’oscillatore e che può creare una
commutazione casuale del segnale di output.
Come vengono protetti dai disturbi i sensori che lavorano in vicinanza di attrezzature per la saldatura?
Durante il processo di saldatura viene prodotta una gran quantità
di scintille che possono danneggiare l’alloggiamento del sensore.
Per questo motivo sensori che lavorano vicini a impianti di saldatura vengono prodotti in ottone protetto con uno strato di teflon.
La superficie anteriore viene protetta con plastiche dure che non
sono sensibili al calore in caso di impiego a temperature alte.
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Componenti meccatronici
Minos
Quali sensori non sono sensibili all’influsso di campi magnetici
esterni?
I sensori hanno un nucleo con una permeabilità magnetica piccola e richiedono una costruzione speciale del circuito elettrico
per evitare errati segnali. I sensori senza nucleo sono maggiormente resistenti all’influsso dei campi magnetici esterni. Dato
che manca il nucleo la bobina è avvolta a una rullo di plastica.
Faccia degli esempi di sensori che lavorano in condizioni difficili.
I produttori di sensori offrono, fra l’altro:
sensori insensibili a temperature alte (fino a 200 °C), sensori insensibili a prodotti chimici, sensori insensibili all’olio, sensori insensibili all’umidità, sensori miniaturizzati con testa di 3-5 mm.
Quale caratteristiche devono avere i sensori che lavorano sotto
un alta pressione?
I sensori che lavorano sotto una pressione alta devono avere un
alloggiamento stabile e chiuso per proteggere gli elementi elettronici interni. La superficie anteriore del sensore è protetta con
un disco di ceramica resistente all’usura. Dato che tale costruzione richiede uno spostamento delle bobine il raggio d’azione
del sensore è più piccolo. L’oscillatore va quindi modificato.
Come si riconosce la direzione di un movimento lineare con un
bistabile sensore ad anello?
Il sensore contiene due bobine che si trovano accanto e che
hanno un alimentazione di corrente separata. Perciò l’ampiezza
in ogni bobina può essere diversa. Se l’oggetto viene dalla parte
di sinistra prima viene smorzato il circuito elettrico della prima
bobina e poi quello della seconda bobina. Se l’oggetto viene dalla parte destra i due circuiti elettrici vengono smorzati
all’incontrario. L’attrezzo di misurazione riconosce la direzione
del movimento sulla base delle amplitudini nelle bobine.
Come funzionano i sensori ad induzione NAMUR?
I sensori ad induzione NAMUR prevedono due conduttori e funzionano con un amplificatore esterno. La loro resistenza cambia
quando viene rilevato un oggetto di metallo. Una bassa resistenza significa nessun ‘oggetto di metallo’ nel raggio d’azione, una
elevata resistenza significa ‘presenza di un oggetto di metallo’.
Consistono di un oscillatore smorzato a bobina e un demodulatore. Quando cambia la distanza fra l’oggetto ed il sensore cambia
anche la corrente assorbita e mediante l’amplificatore questa variazione viene trasformata in un segnale bistabile.
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Componenti meccatronici
Minos
Qual è la caratteristica tipica dei sensori NAMUR?
Una specifica caratteristica dei sensori NAMUR è che l’intervallo
di corrente d’uscita è molto precisamente definito (secondo la
norma EN 60947-5-6), e va da 1,2 fino a 2,1 mA. I sensori
NAMUR con alimentazione in corrente continua hanno tutti la
stessa caratteristica della corrente e la stessa isteresi di commutazione che è pari a 0,2 mA.
Quali condizioni devono essere rispettate se i sensori NAMUR
sono impiegati in una zona soggetta al pericolo di esplosione?
Se i sensori NAMUR sono impiegati in una aree di questi tipo
l’amplificatore non deve generare scintille o deve trovarsi al di
fuori della zona soggetta al pericolo di esplosione.
Qual è la differenza fra sensori standard e sensori analogici ad
induzione?
I sensori standard rilevano soltanto se c’è o no un oggetto di metallo nel loro raggio d’azione. I sensori analogici ad induzione registrano la posizione dell’oggetto in tutto il raggio d’azione del
sensore. Se l’oggetto si muove da una distanza dal sensore che
va da 0 fino ad Sn, il segnale di output varia concordemente
nell’intervallo da 0 fino a 20 mA.
Di quali elementi consiste un sensore analogico induttivo?
Un sensore induttivo analogico consiste di una testa con una
bobina, un generatore, un sistema di linearizazzione ed un sistema di output.
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Componenti meccatronici
Minos
1.4
Alimentazione elettrica e principi di collegamento dei sensori
Compito 4 Di quale entità possono essere le variazioni della tensione per i
sensori con alimentazione in corrente continua ?
I sensori con alimentazione in corrente continua spesso lavorano
insieme con una parte della rete i cui la tensione di output varia.
Se queste variazioni d’ampiezza sono troppo grandi non si può
prevedere il comportamento del sensore. Se le variazioni sono
minori del 10% del valore medio della tensione il sensore funzione correttamente.
Come si possono evitare picchi istantanei di tensione?
I picchi di tensione dovrebbero provocare eccessi di tensione Uss
che non debbono superare 10 % del valore medio della tensione. Prevedere che una parte della rete sia stabilizzata o inserire
un condensatore di maggiore capacità sono le due misure primarie da adottare per evitare effetti negativi di questo tipo.
Quali configurazioni possono avere le uscite dei sensori che
vengono alimentati in corrente continua?
Le uscite di sensori con alimentazione in corrente continua possono avere una configurazione NPN o PNP. Nel caso della configurazione NPN la resistenza RL viene inserita fra l’uscita del
sensore e il polo positivo dell’alimentazione con la corrente U.
Nel caso della configurazione PNP la resistenza viene inserita
fra l’uscita del sensore e il polo negativo dell’alimentazione con
la corrente.
I sensori con alimentazione in corrente alternata possono essere
collegati direttamente con la rete a corrente alternata?
I sensori con alimentazione di corrente alternata non possono
essere collegati direttamente con la rete a corrente alternata
perché un tale collegamento potrebbe causare un irreparabile
danneggiamento dei circuiti interni del sensore. I sensori con alimentazione in corrente alternata vengono collegati in serie con
una resistenza RL.
Ci può essere una corrente nel circuito di sensore con alimentazione in corrente alternata quando il sensore è spento?
Si, dato che questi sensori vengono collegati in serie con una resistenza c’è ancora corrente nel circuito anche quando il sensore
è spento. Questo produce una caduta di tensione nella rete.
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