Acquisizione dati

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chapitre
capitolo
Rilevamentode
Acquisition
dati
données:
rilevamento
Presentazione:
- Funzioni e tecnologie di rilevamento
Présentation:
- Tabella di scelta
• Fonctions et des technologies de rilevamento
• Tableau de choix
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Sommario
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6. Rilevamento dati
b 6.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 136
1
b 6.2 Finecorsa elettromecanici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 137
b 6.3 Interruttori di prossimità induttivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 138
b 6.4 Interruttori di prossimità capacitivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 140
b 6.5 Interruttori fotoelettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 142
2
b 6.6 Interruttori ad ultrasuoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 144
b 6.7 Sistema di identificazione a radio frequenza RFID
o Radio Frequency IDentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 146
3
b 6.8 Sistemi di visione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 149
b 6.9 Encoder optoelettronici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 153
b 6.10 Pressostati e vacuostati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 158
4
b 6.11 Conclusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 161
b 6.12 Guida alla scelta delle diverse tecnologie . . . . . . . . . . . . . . . pagina 162
5
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M
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Rilevamento dati
A Fig. 1
6.1
Funzioni essenziali del rilevamento
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6.1
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Pagina 136
Introduzione
Il campo del rilevamento dati comprende due grandi famiglie di prodotti:
i dispositivi di rilevamento, ovvero tutti i prodotti in grado di rilevare una
soglia, un limite o di valutare una grandezza fisica e i dispositivi di misura,
ovvero i prodotti che permettono di misurare con una data precisione una
grandezza fisica.
I rilevatori dedicati in modo specifico alla sicurezza delle macchine sono
presentati nel capitolo Sicurezza.
Il lettore interessato troverà un gran numero di pubblicazioni sulla sicurezza
delle macchine ove vengono presentati tutti i rilevatori disponibili
sul mercato.
I dispositivi di rilevamento offrono tre funzioni fondamentali, come mostrato
dalla Fig. 1.
Introduzione
b Il rilevamento: una funzione essenziale
La funzione “ rilevamento ” è fondamentale perchè rappresenta la prima
maglia della catena di misura e controllo di un processo industriale
(C Fig.2 ).
In un sistema automatico gli interruttori garantiscono infatti la raccolta
delle informazioni riguardanti:
A Fig. 2
Catena di informazioni di un sistema
industriale
- tutti gli eventi necessari al controllo per l’acquisizione da parte dei
sistemi di comando, in base ad un programma predefinito,
- la successione delle diverse fasi del processo di esecuzione del
programma predefinito.
b Le diverse funzioni del rilevamento
Le esigenze di rilevamento sono svariate.
Quelle più elementari sono le seguenti:
- il controllo della presenza, dell’assenza o del posizionamento
di un oggetto,
- la verifica del passaggio, dello scorrimento o di un intasamento
di oggetti mobili e del conteggio.
Queste esigenze richiedono in genere semplici dispositivi “ ON/OFF”,
ad esempio nelle applicazioni tipiche di rilevamento pezzi nelle catene di
produzione o nelle attività di movimentazione, oltre che nel rilevamento di
persone e di veicoli.
Nelle applicazioni industriali vi sono poi altre esigenze più specifiche quali:
- il rilevamento della pressione (o del livello) di un gas o di un liquido,
- il rilevamento della forma,
- il rilevamento della posizione (angolare, lineare),
- il rilevamento di etichette, con lettura e scrittura di dati codificati.
A queste si aggiungono numerose altre esigenze applicative che
riguardano in modo più specifico le condizioni ambientali circostanti.
Gli interruttori devono, in base alla condizione d’impiego, poter resistere:
- all’umidità, o all’immersione (es: tenuta maggiorata),
- alla corrosione (industrie chimiche o anche impianti agricoli,...),
- a forti variazioni di temperatura (es. regioni tropicali),
- a depositi di sporco di vario genere (all’esterno o nelle macchine),
- ad atti di vandalismo, ecc...
Per rispondere a tutte queste esigenze applicativi Schneider Electric ha
creato molti tipi di interruttori con tecnologie diverse.
b Le diverse tecnologie degli interruttori
I produttori di interruttori ricorrono a principi di misura fisica diversi;
citiamo qui di seguito i principali:
- meccanica (pressione, forza) per i finecorsa elettromeccanici,
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6.1
6.2
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Pagina 137
Introduzione
Finecorsa elettromeccanici
- elettromagnetismo (campo, forza) per i rilevatori magnetici
e gli interruttori di prossimità induttivi,
- luce (potenza e deviazione luminosa) per le cellule fotoelettriche,
- campo elettrico per gli interruttori di prossimità capacitivi,
- acustica (tempo di percorso di un’onda) per gli interruttori ad ultrasuoni,
- fluido (pressione) per i pressostati,
- ottica (analisi d’immagine) per la visione.
Questi principi di misura determinano vantaggi e limiti in ogni tipo di
interruttore; per questo alcuni interruttori sono robusti ma richiedono un
contatto con l’oggetto da rilevare, mentre altri possono essere installati in
ambienti agressivi ma sono utilizzabili solo con pezzi in metallo.
La presentazione delle diverse tecnologie nelle pagine che seguono ha lo
scopo di facilitare la comprensione degli imperativi d’installazione e di
utilizzo dei rilevatori disponibili sul mercato per i sistemi di automazione e
le apparecchiature industriali.
b Le funzioni aggiuntive degli interruttori
Per facilitare l’impiego degli interruttori sono state sviluppate diverse
funzioni, tra le quali l’auto-apprendimento.
Questa funzione permette, con la semplice pressione di un tasto, di
definire il campo di rilevamento effettivo del dispositivo; ad esempio,
l’apprendimento molto preciso della portata minima e massima
(soppressione primo piano e sfondo) nell’ordine di ± 6 mm per gli
interruttori ad ultrasuoni e l’acquisizione dell’ambiente circostante per gli
interruttori fotoelettrici.
6.2
I finecorsa elettromeccanici
Il rilevamento avviene attraverso un contatto fisico (sensore o organo di
comando) con un oggetto fisso o mobile. L’azionamento del dispositivo
di comando provoca un cambiamento di stato del contatto elettrico.
L’informazione viene trasmessa al sistema di elaborazione attraverso un
contatto elettrico (ON/OFF).
Questi dispositivi composti da dispositivo di comando e contatto elettrico
sono chiamati finecorsa. Sono presenti in tutti i sistemi di automazione e
sono impiegati nelle applicazioni più svariate grazie alla loro versatilità e ai
numerosi vantaggi offerti dalla loro tecnologia.
b Movimenti di rilevamento
A Fig. 3
Illustrazione dei diversi movimenti
dei rilevatori comunemente utilizzati
Le teste di comando o dispositivi di azionamento sono disponibili con
diversi tipi di comandp (C Fig.3 ) per consentire il rilevamento in più
posizioni e adattarsi facilmente agli oggetti da rilevare:
- movimento rettilineo,
- movimento angolare,
- movimento multidirezionale.
b Modo di funzionamento dei contatti
L’offerta dei costruttori è caratterizzata dalla tecnologia utilizzata per
l’azionamento dei contatti.
v Contatto ad intervento rapido
La manovra dei contatti è caratterizzata da un fenomeno di isteresi,
ovvero da punti di intervento e rilascio distinti (C Fig.4 ).
A Fig. 4
Le diverse posizioni di un contatto
ad intervento rapido
La velocità degli spostamenti dei contatti mobili è indipendente dalla velocità
del dispositivo di comando. Questa particolarità consente di ottenere
prestazioni elettriche soddisfacenti anche in caso di bassa velocità di
spostamento del dispositivo di comando.
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Rilevamento dati
6.2
6.3
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Finecorsa elettromeccanici
Interruttori di prossimità induttivi
I finecorsa con contatti ad azione rapida utilizzano sempre più
frequentemente contatti a manovra positiva di apertura.
Un apparecchio è detto a manovra positiva di apertura quando
“garantisce che tutti gli elementi di contatto ad apertura possano essere
riportati con sicurezza nella posizione corrispondente alla posizione di
apertura dell'apparecchio, senza alcun collegamento elastico tra i contatti
mobili e il dispositivo di comando al quale viene applicata la forza di
azionamento”.
Questo riguarda sia il contatto elettrico del finecorsa che il dispositivo di
azionamento che deve trasmettere il movimento senza deformazione.
Le applicazioni di sicurezza impongono l’utilizzo di apparecchi a manovra
positiva di apertura.
Posizione
diseccitazione
A Fig. 5
6.3
Posizione
eccitazione
v Contatto ad azione lenta (C Fig.5)
Il modo di funzionamento dei contatti ad azione lenta è caratterizzato da:
- punti di azione e rilascio non distinti,
- velocità di spostamento dei contatti mobili uguale o proporzionale alla
velocità dell’organo di comando (che non deve essere inferiore a 0.1 m/s
= 6 m/mn). Al di sotto di questi valori l’apertura dei contatti avviene
troppo lentamente a discapito del corretto funzionamento del contatto
(rischio d’arco mantenuto troppo a lungo),
- la distanza di apertura dipende anch’essa dalla corsa dell’organo di comando.
Questi contatti sono per costruzione a manovra positiva di apertura:
il pulsante agisce direttamente sui contatti mobili.
Esempio di un contatto ad azione lenta
Gli interruttori di prossimità induttivi
Gli interruttori di prossimità induttivi sono utilizzati principalmente nelle
applicazioni industriali e funzionano solo con materiali metallici, rilevano
cioè senza contatto qualsiasi oggetto metallico.
b Principio
Un circuito induttivo (bobina con induttanza L) costituisce l’elemento
sensibile. Questo circuito è associato ad un condensatore di capacità C
per formare un circuito risonante ad una frequenza Fo generalmente
compresa tra 100 KHz e 1 MHz.
Un circuito elettronico permette di avere oscillazioni conformi alla formula:
Queste oscillazioni creano un campo magnetico alternato davanti alla bobina.
Uno schermo metallico posizionato all'interno del campo magnetico
diventa sede di correnti di Foucault che costituiscono un carico addizionale, modificando di conseguenza le condizioni di oscillazione (C Fig.6).
La presenza di un oggetto metallico davanti all’interruttore diminuisce il
coefficiente di qualità del circuito risonante.
1° caso, senza schermo metallico:
A Fig. 6
Principio di funzionamento
di un interruttore induttivo
Attenzione:
2° caso, presenza di uno schermo metallico:
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Il rilevamento avviene mediante la misura della variazione del coefficiente
di qualità (dal 3% al 20% circa alla soglia di rilevamento).
L’avvicinamento dello schermo metallico si traduce con una diminuzione del
coefficiente di qualità e quindi una diminuzione dell’ampiezza delle oscillazioni.
La distanza di rilevamento dipende dal tipo di metallo da rilevare (dalla
sua resistività ρ e dalla sua permeabilità relativa µr ).
b Descrizione di un interruttore induttivo (C Fig.7)
A Fig. 7
Schema di un interruttore induttivo
Trasduttore: È composto da una bobina in filo di rame intrecciato (filo di
Litz) posizionata all’interno di un elemento in ferrite che dirige le linee di
campo verso la parte anteriore dell’interruttore.
Oscillatore: esistono numerosi tipi di oscillatore, quali ad esempio
l’oscillatore a resistenza negativa fissa R uguale in valore assoluto alla
resistenza parallela Rp del circuito oscillante alla portata.
l l l l
- Se l’oggetto da rilevare è oltre la portata nominale, Rp > -R allora le
oscillazioni saranno mantenute,
- Se al contrario l’oggetto da rilevare è al di qua della portata nominale,
lRpl < l-Rl, allora le oscillazioni non saranno più mantenute e si avrà il
blocco dell’oscillatore.
Stadio di messa a punto: costituito da un rilevatore di cresta seguito da
un comparatore a due soglie (Trigger) per evitare le commutazioni
intempestive quando l’oggetto da rilevare è vicino alla portata nominale.
Origina il fenomeno chiamato isteresi dell’interruttore (C Fig.7bis).
Stadio di alimentazione e di uscita: consente di alimentare l’interruttore con
ampie gamme di tensione d’alimentazione (da 10 VCC fino a 264 V AC).
Il modulo di uscita consente di comandare carichi da 0.2 A in CC a 0.5 A
in CA, con o senza protezione contro i cortociruiti.
b Prestazioni del rilevamento induttivo
A Fig. 7bis
Isteresi dell’interruttore
La distanza di rilevamento:
- dipende dall’importanza della superficie di rilevamento.
- Sn: portata nominale (su acciao dolce) variabile da 0.8 mm
(interruttore Ø 4) a 60 mm (interruttore 80 x 80).
- isteresi: corsa differenziale (dal 2 al 10 % di Sn) che evita i rimbalzi
alla commutazione.
- frequenza di rilevamento del passaggio degli oggetti davanti
all’interruttore, detta di commutazione (max 5 kHz).
b Funzioni particolari
• Interruttori protetti contro i campi magnetici delle saldatrici.
• Interruttori a uscita analogica.
• Interruttori con fattore di correzione 1* per i quali la distanza di
rilevamento è indipendente dal metallo rilevato (ferroso o non ferroso).
• Interruttori selettivi materiali ferrosi e non ferrosi.
• Interruttori per controllo rotazione: rilevatori di controllo sottovelocità
sensibili alla frequenza di passaggio degli oggetti in metallo.
• Interruttori per atmosfere esplosive (norme NAMUR).
*Quando l’oggetto da rilevare non è in acciaio, la distanza di rilevamento dell’interruttore
è proporzionale al fattore di correzione del materiale di cui è composto l’oggetto.
DMat X = DAcciaio x KMat X
I valori tipici del fattore di correzione (KMat X ) sono:
- Acciaio = 1
- Inox = 0.7
- Ottone = 0.4
- Alluminio = 0.3
- Rame = 0.2
Esempio: DInox = DAcciaio x 0.7
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Rilevamento dati
6.4
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6.4
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Pagina 140
Interruttori di prossimità capacitivi
Gli interruttori di prossimità capacitivi
Gli interruttori di prossimità capacitivi sono adatti al rilevamento di tutti i
tipi di materiali conduttori e isolanti quali vetro, olio, legno, plastica, ecc.
b Principio
Un interruttore di prossimità capacitivo è composto da un oscillatore
i cui condensatori rappresentano la faccia sensibile.
Sulla faccia sensibile dell’interruttore viene applicata una tensione sinusoidale
che crea un campo elettrico alternato davanti all’interruttore stesso.
Considerato che alla tensione sinusoidale è assegnato un valore rispetto
ad un potenziale di riferimento (terra o massa ad esempio), la seconda
armatura è costituita da un elettrodo collegato al potenziale di massa
(armatura della machina, ad esempio).
A Fig. 8
Assenza oggetto tra i 2 elettrodi
I due elettrodi installati faccia a faccia costituiscono un condensatore la
cui capacità è data dalla formula:
ove ε0 = 8,854187.10-12 F/m permittività del vuoto εr permittività relativa
del materiale presente tra i 2 elettrodi.
1° caso: Nessun oggetto tra i 2 elettrodi (C Fig.8)
2° caso: Presenza di un oggetto isolante tra i 2 elettrodi (C Fig.9)
A Fig. 9
Presenza oggetto isolante
tra i 2 elettrodi
=> (εr = 4)
L’elettrodo di massa può essere in questo caso il tappeto in metallo di un
nastro trasportatore.
Quando il valore della costante dielettrica εr diventa superiore a 1 in
presenza di un oggetto, il valore di C aumenta.
Misurando l’aumento del valore di C è possibile rilevare la presenza
dell’oggetto isolante.
3° caso: Presenza di un oggetto conduttore tra i 2 elettrodi (C Fig.10)
con εr 1 (aria) =>
A Fig. 10
Presenza di un oggetto conduttore
tra i 2 elettrodi
La presenza di un oggetto in metallo si traduce anche in questo caso con
un aumento del valore di C.
b I diversi tipi di interruttori capacitivi
v Interruttori capacitivi senza elettrodo di massa
Il loro funzionamento si basa direttamente sul principio sopra descritto.
Per rilevare materiali conduttori (metallo, acqua) a distanze importanti è
necessario un collegamento alla massa (potenziale di riferimento).
Applicazione tipo: Rilevamento di materiali conduttori attraverso un
materiale isolante (C Fig.11).
v Interruttori capacitivi con elettrodo di massa
Non sempre è possibile trovare un collegamento alla massa, ad esempio
nel caso in cui si desideri rilevare del materiale isolante (recipiente vuoto
in vetro dell’esempio precedente).
A Fig. 11
140
Rilevamento della presenza d’acqua
in un recipiente in vetro o plastica
La soluzione consiste nell’installare l’elettrodo di massa sulla faccia di
rilevamento.
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Il campo elettrico si crea indipendente dal collegamento alla massa (C Fig.12).
Applicazione: Rilevamento di tutti i materiali.
Possibilità di rilevare materiali isolanti o conduttori dietro una superficie
isolante, ad esempio dei cereali in una scatola in cartone.
b Prestazioni di un interruttore capacitivo
Contaminanti
(a): campo di compensazione (eliminazione della
contaminazione esterna)
(b): campo elettrico principale
Elettrodo principale
Elettrodo di compensazione
Elettrodo di massa
A Fig. 12
Principio di un interruttore capacitivo
con elettrodo di massa
La sensibilità degli interruttori capacitivi, secondo la formula base
precedentemente indicata, dipende sia dalla distanza oggetto - rilevatore
che dal materiale di cui è composto l’oggetto.
v Distanza di rilevamento
È legata alla costante dielettrica o permittività relativa εr del materiale di
cui è composto l’oggetto da rilevare.
Per poter rilevare una grande variétà di materiali i rilevatori capacitivi sono
generalmente dotati di un potenziometro di regolazione della sensibilità.
v Materiale
La tabella della Fig. 13 riporta le costanti dielettriche di alcuni materiali.
εr
19.5
materiale
Acetone
Aria
1.000264
Ammoniaca
Etanolo
15-25
24
Farina
2.5-3
Vetro
3.7-10
Glicerina
47
Mica
5.7-6.7
Carta
1.6-2.6
Nylon
4-5
Petrolio
2.0-2.2
Vernice al silicone
2.8-3.3
Polipropilene
2.0-2.2
Porcellana
5-7
Latte in polvere
Sale
3.5-4
6
Zucchero
3.0
Acqua
80
Legno secco
2-6
Legno verde
10-30
A Fig. 13
6
Costanti dielettriche
di alcuni materiali
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Rilevamento dati
6.5
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Pagina 142
Interruttori fotoelettrici
Gli interruttori fotoelettrici
Parte operativa
Parte comando
Ricevitore
di luce
Emettitore
di luce
A Fig. 14
Analisi
Misura
Modulo
di uscita
Principio di un interruttore fotoelettrico
Gli interruttori fotoelettrici consentono il rilevamento di oggetti di
qualsiasi tipo, opachi, riflettenti o quasi-trasparenti e sono anche adatti
alle applicazioni di rilevamento presenza persone (apertura di porte,
barriere di sicurezza).
b Principio (C Fig.14)
Un diodo elettroluminescente (LED) emette degli impulsi luminosi,
generalmente nel vicino infrarosso (da 850 a 950 nm).
Il fascio di luce viene o meno ricevuto da un fotodiodo o fototransistor in
funzione della presenza o assenza dell’oggetto da rilevare.
La corrente fotoelettrica creata viene amplificata e confrontata con una
soglia di riferimento per fornire un’informazione ON/OFF.
b I diversi sistemi di rilevamento
v Sistema a sbarramento (C Fig.14bis)
Emettitore e ricevitore sono installati in due scatole separate.
A Fig. 14bis Rilevamento a sbarramento
L’emettitore, un LED posizionato nel fuoco di una lente convergente, crea
un fascio luminoso parallelo.
Il ricevitore, un fotodiodo (o fototransistor) posizionato nel fuoco di una lente
convergente, fornisce una corrente proporzionale all’energia ricevuta.
Il sistema fornisce un’informazione ON/OFF in funzione della presenza o
assenza dell’oggetto all’interno del fascio luminoso.
Vantaggi: La distanza di rilevamento (portata) può arrivare fino a oltre 50 m.
in base alla dimensione delle lenti e quindi dell’interruttore.
Svantaggi: Richiede due scatole e quindi di due alimentazioni separate.
L’allineamento per distanze di rilevamento superiori a 10 m può
presentare una certa difficoltà.
Uscita
A Fig. 15
Rilevamento a riflessione
v Sistemi a riflessione
Il rilevamento a riflessione può essere di due tipi: a riflessione diretta e a
riflessione polarizzata.
• A riflessione diretta (C Fig.15)
Il fascio luminoso è generalmente nella gamma del vicino infrarosso (da
850 a 950 nm).
Vantaggi: L’emettitore e il ricevitore sono nello stesso involucro (un unico
cavo di alimentazione). La distanza di rilevamento (portata) è notevole,
benchè inferiore a quella del sistema a sbarramento (fino a 20 m ).
Svantaggi: Un oggetto riflettente (vetro, carrozzeria d’auto, ecc...) può
essere visto come catarifrangente e non venire rilevato.
A Fig. 16
Rilevamento a riflessione polarizzata
• A riflessione polarizzata (C Fig.16)
Gli interruttori a riflessione polarizzata emettono luce rossa visibile (660 nm).
Il fascio luminoso emesso vie polarizzato verticalmente da un filtro polarizzante lineare, quindi viene depolarizzato e infine rinviato dal catarifrangente.
Una parte del fascio luminoso rinviato ha quindi una componente
orizzontale. Il filtro ricevitore lascia passare la luce riflessa sul piano
orizzontale e la luce raggiunge il componente di ricezione.
Un oggetto riflettente (specchio, lamiera, vetro) al contrario del
catarifrangente non cambia lo stato di polarizzazione.
La luce rinviata dall’oggetto non potrà quindi raggiungere il polarizzatore
in ricezione (C Fig.17).
Vantaggi: Permette di evitare gli svantaggi del sistema a riflessione diretta.
Svantaggi: Ha un costo superiore e copre distanze di rilevamento inferiori:
Rif.
A Fig. 17
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Principio del non rilevamento
di materiali riflettenti
Riflessione diretta IR -->15m
Riflessione polarizzata ---> 8m
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v Sistema a riflessione diretta (sull’oggetto)
• A riflessione diretta (C Fig.18)
Utilizza la riflessione diretta (diffusa) dell’oggetto da rilevare.
Vantaggi: Non è più necessario il catarifrangente.
Svantaggi: La distanza di rilevamento non supera i 2 m e varia con il
colore dell’oggetto da “vedere” e dallo sfondo davanti al quale si trova
(per una data regolazione, la distanza di rilevamento è maggiore per un
oggetto bianco che per un oggetto grigio o nero) e uno sfondo più chiaro
dell’oggetto da rilevare può compromettere il funzionamento del sistema.
A Fig. 18
Riflessione diretta
• A riflessione diretta con soppressione dello sfondo (C Fig.19)
Questo sistema il rilevamento permette di rilevare oggetti di colore e
riflettività diversi mediante triangolazione.
La distanza di rilevamento (fino a 2 m) non dipende dal potere di
riflessione dell’oggetto, ma solo dalla sua posizione: un oggetto chiaro
viene rilevato alla stessa distanza di un oggetto scuro.
Infine uno sfondo posto al di là della zona di rilevamento verrà ignorato.
v Fibre ottiche
• Principio
Il principio della propagazione delle onde luminose nella fibra ottica è la
riflessione totale interna.
A Fig. 19
Riflessione diretta con soppressione
dello sfondo
La riflessione totale interna si verifica quando un raggio luminoso passa
da un materiale ad un altro materiale avente indice di rifrazione inferiore.
La luce viene riflessa totalmente (C Fig.20) e non si verifica alcuna perdita
di luce quando l’angolo di incidenza del raggio luminoso è maggiore
dell’angolo critico [θc].
La riflessione totale interna è regolata da due fattori: gli indici di rifrazione
dei due materiali e l’angolo critico.
Questi due fattori sono collegati dalla seguente formula:
Conoscendo gli indici di rifrazione dei due materiali dell’interfaccia
l’angolo critico è facilmente calcolabile.
A Fig. 20
Principio della propagazione delle onde
luminose nella fibra ottica
Fisicamente l’indice di rifrazione di un materiale è il rapporto tra la velocità
della luce nel vuoto (c) e la sua velocità nel materiale (v).
L’indice di rifrazione dell’aria è considerato uguale a quello del vuoto,
poichè la velocità della luce nell’aria è all’incirca uguale a quella nel vuoto.
• Fibre ottiche multimodali e monomodali
Esistono due tipi di fibra ottica: multimodale e monomodale (C Fig.21).
- Fibre ottiche multimodali
La parte centrale delle fibre che conduce la luce ha un diametro grande
rispetto alla lunghezza d’onda utilizzata (φ da 9 a 125 µm, Lo = da 0.5 a
1 mm).
Il profilo dell’indice di rifrazione delle fibre multimodali può essere:
a gradino (step-index) o graduale (graded-index).
- Fibre ottiche monomodali
La parte centrale delle fibre che conduce la luce ha un diametro molto
piccolo rispetto alla lunghezza d’onda utilizzata (φ <= 1 µm, Lo =
generalmente 1.5 µm). Le fibre monomodali hanno profilo d’indice a
gradino. Sono utilizzate soprattutto per le telecomunicazioni.
A Fig. 21
Principio della propagazione delle onde
luminose nella fibra ottica
È importante ricordare che la loro messa in opera richiede un’attenzione
particolare, soprattutto nell’installazione delle fibre (sforzi di trazione ridotti
e raggi di curvatura limitati come indicato dai produttori).
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Rilevamento dati
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Interruttori fotoelettrici
Interruttori ad ultrasuoni
Le fibre ottiche più utilizzate nell’industria sono quelle multimodali che
offrono i vantaggi di tenuta elettromagnetica (EMC o Compatibilità
ElettroMagnetica) e semplicità di messa in opera.
• Tecnologia degli interruttori
Le fibre ottiche sono posizionate davanti al LED emettitore e davanti al
fotodiodo o fototransistor ricevitore (C Fig.22).
A Fig. 22
Principio di funzionamento
di un interruttore a fibre ottiche
Questo principio di funzionamento permette:
- di allontanare l’elettronica dal punto di controllo,
- di raggiungere spazi molto esigui o a temperature elevate,
- di rilevare oggetti molto piccoli (nell’ordine del mm),
- di funzionare in modo sbarramento o prossimità a seconda della
posizione dell’estremità delle fibre.
È importante notare che i collegamenti tra il LED emettitore o il
fototransistor ricevitore e la fibra ottica devono essere realizzati con
estrema cura per ridurre al minimo le perdite di trasmissioni.
b Prestazioni degli interruttori fotoelettrici
Le prestazioni di questi sistemi di rilevamento possono essere influenzate
da diversi fattori quali:
- la distanza (interruttore-oggetto),
- il tipo di oggetto da rilevare (materiale diffusore, riflettente o
trasparente, colore e dimensioni),
- le caratteristiche ambientali (luce ambiente, presenza sfondo, ecc...).
6.6
Gli interruttori ad ultrasuoni
b Principio
I sensori ad ultrasuoni sono dispositivi composti da un trasduttore
elettroacustico che convertono l’energia elettrica (C Fig.23) che gli viene
fornita in energia meccanica di vibrazione.
Possono essere piezoelettrici o magnetostrittivi a seconda che utilizzino il
principio della magnetostrizione o l’effetto piezoelettrico (C Fig.23).
L’interruttore a ultrasuoni misura il tempo di propagazione dell’onda
acustica tra il rilevatore e l’oggetto da rilevare.
A Fig. 23
Principio di un trasduttore
elettroacustico
La velocità di propagazione è di 340 m/s nell’aria a 20 °C (ad esempio per
1 m il tempo da misurare è dell’ordine di 3 ms).
Il tempo viene misurato dal contatore di un microcontrollore.
Il vantaggio dei sensori a ultrasuoni è rappresentato dalla grande distanza di
rilevamento (fino a 10 m), ma soprattutto dalla capacità di rilevare qualsiasi
oggetto che riflette il suono, indipendentemente dalla sua forma e dal colore.
b Applicazione (C Fig.24)
Eccitato dal generatore alta tensione il trasduttore (emettitore-ricevitore)
emette un’onda ultrasonica pulsata (da 100 a 500 kHz a seconda del
prodotto) che si sposta nell’aria alla velocità del suono.
A Fig. 24
Principio di un interruttore ad ultrasuoni
Nel momento in cui l’onda incontra un oggetto, un’onda riflessa (eco)
ritorna verso il trasduttore. Un microprocessore analizza il segnale
ricevuto e misura l’intervallo di tempo tra il segnale emesso e l’eco.
Il confronto tra i tempi predefiniti o rilevati consente al microprocessore di
determinare e controllare lo stato delle uscite. Conoscendo la velocità di
propagazione del suono è possibile dedurre una distanza applicando la
seguente formula:
D = T.Vs/2 ove
D: distanza dall’interruttore all’oggetto,
T: tempo trascorso tra l’emissione dell’onda e la sua ricezione,
Vs: velocità del suono (300 m/s).
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Il modulo di uscita [5] controlla un commutatore statico (transistor PNP o
NPN) corrispondente ad un contatto a chiusura o ad apertura, o mette a
disposizione un segnale analogico (corrente o tensione) direttamente o
inversamente proporzionale alla distanza dell’oggetto misurata.
b Particolarità degli interruttori ad ultrasuoni
v Definizioni (C Fig.25)
A Fig. 25
Limiti d’impiego di un interruttore
ad ultrasuoni
Zona cieca: Zona compresa tra la faccia sensibile dell’interruttore e la
portata minima all’interno della quale nessun oggetto può essere rilevato
in modo affidabile. In questa zona è impossibile rilevare gli oggetti in
modo corretto.
Evitare il passaggio di oggetti nella zona cieca durante il funzionamento
dell’interruttore perchè questo potrebbe provocare un’instabilità delle uscite.
Zona di rilevamento: campo nel quale l’interruttore è sensibile.
A seconda dei modelli degli interruttori, la zona di rilevamento può essere
configurata in regolabile o fissa con un semplice pulsante.
Fattori d’influenza: Gli interruttori ad ultrasuoni sono adatti in modo
particolare al rilevamento di oggetti duri e con una superficie piana
perpendicolare all’asse di rilevamento.
Tuttavia il funzionamento degli interruttori ad ultrasuoni può essere
disturbato da diversi fattori:
- Le correnti d’aria brusche e di forte intensità possono accelerare o
deviare l’onda acustica emessa dal prodotto (espulsione del pezzo
causata da un getto d’aria).
- I gradienti di temperatura importanti nel campo di rilevamento.
Un forte calore sprigionato da un oggetto crea zone a temperature
diverse che modificano il tempo di propagazione dell’onda impedendo
un rilevamento affidabile.
- Gli isolanti fonici. I materiali quali il cotone, i tessuti, la gomma
assorbono il suono; per questi prodotti si consiglia il rilevamento
«a riflessione».
- L’angolo tra la faccia dell’oggetto da rilevare e l’asse di riferimento
dell’interruttore. Quando l’angolo è diverso da 90°, l’onda non viene più
riflessa nell’asse dell’interruttore e la portata di lavoro diminuisce.
Maggiore è la distanza tra l’oggetto e l’interruttore tanto più accentuato è
questo effetto. Oltre i ± 10°, il rilevamento è impossibile.
- La forma dell’oggetto da rilevare. Conseguentemente a quanto sopra
precisato un oggetto molto spigoloso è più difficile da rilevare.
A Fig. 26
Utilizzo degli interruttori ad ultrasuoni
a) In modo prossimità o riflessione diretta,
b) In modo riflessione
v Modo di funzionamento (C Fig.26)
• A riflessione diretta. Un solo ed unico interruttore emette l’onda sonora
poi la capta dopo la riflessione su un oggetto.
In questo caso è l’oggetto che garantisce la riflessione.
• A riflessione. Un solo ed unico interruttore emette l’onda sonora poi la riceve
in seguito alla riflessione di un riscontro fisso; di conseguenza l’interruttore è
costantemente in funzione. Il riscontro fisso, in questo caso, sarà un elemento
piano e rigido, eventualmente una parte della macchina.
Il rilevamento dell’oggetto viene effettuato quindi mediante interruzione
dell’onda. Questo sistema è adatto in modo particolare al rilevamento di
materiali ammortizzanti o di oggetti spigolosi.
• A sbarramento. Il sistema a sbarramento è composto da due prodotti
indipendenti che devono essere posizionati faccia a faccia: un emettitore
ad ultrasuoni e un ricevitore.
b Prestazioni del rilevamento ad ultrasuoni
Nessun contatto fisico con l’oggetto, quindi nessuna usura e possibilità di
rilevare oggetti fragili o con vernice fresca.
Rilevamento possibile di qualsiasi materiale, qualsiasi sia il colore, alla
stessa portata, senza regolazione o fattore di correzione.
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6
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Rilevamento dati
6.6
6.7
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Interruttori ad ultrasuoni
Sistema di identificazione a radio frequenza
RFID o Radio Frequency IDentification
Apparecchi statici: nessun pezzo in movimento all’interno dell’interruttore,
quindi durata indipendente dal numero di cicli di manovra.
Buona tenuta alle caratteristiche ambientali industriali: resistente alle
vibrazioni e agli urti, resistente agli ambienti difficili.
Funzione di apprendimento mediante semplice pressione su un pulsante
per definire il campo di rilevamento effettivo. Apprendimento della portata
minima e massima (soppressione dello sfondo e del piano anteriore molto
precisa ± 6 mm).
6.7
Sistema di identificazione a radio frequenza RFID o Radio Frequency IDentification
Questo capitolo presenta i dispositivi utilizzati per il salvataggio e la
gestione dei dati memorizzati nelle etichette elettroniche a partire da un
segnale radiofrequenza.
b Generalità
A Fig. 27
Organizzazione di un sistema RFID
Il sistema di identificazione radiofrequenza (RFID) è una tecnologia di
identificazione automatica relativamente recente, adatta alle applicazioni
che richiedono il controllo di oggetti o persone (rintracciabilità, controllo
accessi, smistamento, stoccaggio).
Il principio è quello di associare a ciascun oggetto una capacità di
memorizzazione accessibile senza contatto, in lettura e in scrittura.
I dati vengono salvati in una memoria accessibile mediante semplice
collegamento in radio frequenza, senza contatto né campo di visione,
ad una distanza che da qualche centimetro può arrivare a diversi metri.
Questa memoria prende la forma di un’etichetta elettronica o tag RFID,
chiamata anche trasponder, all’interno della quale si trova un circuito
elettronico e un’antenna.
A Fig. 28
Presentazione degli elementi di un
sistema RFID (Sistema Inductel di
Schneider Electric)
b Principi di funzionamento
Un sistema RFID è costituito dai seguenti elementi (C Fig.27 e 28):
- Un’etichetta elettronica o tag,
- Una stazione di lettura/scrittura (o lettore rfid).
v Il lettore
Modula l’ampiezza del campo irradiato dalla sua antenna per trasmettere
degli ordini di lettura o di scrittura alla logica di elaborazione dell’etichetta.
Simultaneamente, il campo elettromagnetico generato dalla sua antenna
alimenta il circuito elettronico dell’etichetta.
v L’etichetta
A Fig. 29
Funzionamento di un sistema RFID
Trasmette le sue informazioni in ritorno verso l’antenna del lettore modulando il
suo proprio consumo. Questa modulazione viene rilevata dal circuito di
ricezione del lettore che la converte in segnali digitali (C Fig.29).
b Descrizione degli elementi
v Le etichette elettroniche (C Fig.30)
Le etichette elettroniche sono costituite da tre elementi principali
contenuti in un involucro.
• Antenna
L’antenna deve essere adatta alla frequenza della portante, quindi può
presentarsi sotto diverse forme:
- Bobina in filo di rame, con o senza nucleo di ferrite (canalizzazione
delle linee di campo), o ancora incisa su circuito stampato flessibile o
rigido, o stampata (inchiostro conduttivo) per le frequenze inferiori a
20 MHz.
A Fig. 30
146
Fotografia interna di un’etichetta RFID
- Dipolo inciso su circuito stampato, o stampato (inchiostro conduttivo)
per le frequenze molto alte (>800 MHz).
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• Un circuito logico di elaborazione
Il suo ruolo è di assicurare l’interfaccia tra gli ordini captati dall’antenna e
la memoria.
La sua complessità dipende dalle applicazioni, dalla semplice
configurazione fino all’utilizzo di un microcontrollore (ad esempio schede
di pagamento protette con algoritmi di criptografazione).
• Una memoria
Per memorizzare le informazioni nelle etichette elettroniche vengono
utilizzati diversi tipi di memorie (C Fig.31).
Tipo
Vantaggi
Inconvenienti
ROM
• Buona resistenza alle temperature elevate
• Solo lettura
• Prezzo basso
EEPROM
• Nessuna pila o batteria di emergenza
• Tempo di accesso relativamente lungo in lettura o scrittura
• Numero di scritture limitato a 100 000 cicli per byte
RAM
• Rapidità di accesso ai dati
• Richiede di inserire una pila di emergenza
nell’etichetta
• Capacità elevata
• Numero illimitato di letture o scritture
FeRAM
(ferroelettrica)
• Rapidità di accesso ai dati
• Numero di scritture e letture limitato a 10 12
• Nessuna pila o batteria di emergenza
• Capacità elevata
A Fig. 31
6
Diversi tipi di memorie utilizzate per memorizzare le informazioni nelle etichette elettroniche
Le capacità di queste memorie vanno da qualche byte fino a più decine di
k byte.
a
b
Alcune etichette dette «attive» integrano una pila che alimenta la parte elettronica.
Questa configurazione consente di aumentare la distanza di dialogo tra l’etichetta
e l’antenna, ma richiede la sostituzione regolare della pila.
v Un involucro
A Fig. 32 a e b
Diverse forme di etichette RFID
adatte al loro uso
Per riunire e proteggere i tre elementi attivi di un’etichetta sono stati creati
involucri adatti a ciascun tipo di applicazione, quali ad esempio:
(C Fig.32a)
- Badge formato carta di credito per controllo accesso delle persone,
- Supporto adesivo per identificazione dei libri nelle biblioteche,
- Capsula in vetro (microchip) per identificazione degli animali domestici
(iniezione sottocutanea),
- Targhette in plastica per l’identificazione di capi di abbigliamento e di
biancheria,
- Targhette per il controllo della posta.
Sono disponibili molte altre varianti di involucri: portachiavi, «chiodi» in
plastica per l’identificazione di pallet di legno, o contenitori resistenti agli
urti e ai prodotti chimici (C Fig.32b) adatti alle applicazioni industriali
(trattamento superfici, forni, ecc...).
v Le stazioni:
A Fig. 33a
A Fig. 33b
Stazione d’interfaccia RFID
LLettore RFID Schneider Electric Inductel
Una stazione (C Fig.33a) svolge la funzione di interfaccia tra il sistema di
gestione (controllore programmabile, computer, ecc...) e l’etichetta
elettronica, attraverso un’apposita porta di comunicazione (RS232,
RS485, Ethernet, ecc...).
A seconda delle applicazioni si può anche integrare un certo numero di
funzioni complementari:
- ingressi/uscite ON/OFF,
- elaborazione locale per funzionamento in autonomo,
- comando di più antenne,
- rilevamento con un’antenna integrata per un sistema più compatto
(C Fig.33b).
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Rilevamento dati
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Sistema di identificazione a radio frequenza
RFID o Radio Frequency IDentification
v Antenne
Le antenne sono caratterizzate dalle loro dimensioni (che determinano
la forma della zona nella quale possono scambiare le informazioni con le
etichette) e dalla frequenza del campo irradiato. L’utilizzo di ferriti
permette di concentrare le linee di campo elettromagnetico in modo
da aumentare la distanza di lettura (C Fig.34) e diminuire l’eventuale
influenza di masse metalliche vicine all’antenna.
Le frequenze utilizzate dalle antenne sono ripartite su più bande distinte,
poiché ogni banda presenta dei vantaggi e degli inconvenienti (C Fig.35).
A Fig. 34
Influenza di un’antenna in ferrite sulle
linee di campo elettromagnetico
Frequenza
Vantaggi
Inconvenienti
Applicazione tipica
125-134 khz (BF)
• Immunità agli ambienti
(metallo, acqua, ecc...)
• Bassa capacità di memoria
• Tempo di accesso lungo
• Identificazione degli animali
domestici
13.56 Mhz (HF)
• Protocolli di dialogo
antenna/etichetta normalizzati
(ISO 15693 - ISO 14443 A/B)
• Sensibilità agli ambienti
metallici
• Controllo dei libri nelle biblioteche
• Controllo dell’accesso
• Pagamenti
850 - 950 Mhz (UHF)
• Bassissimo costo delle etichette
• Distanza di dialogo importante
(diversi metri)
• Gamme di frequenze non
omogenee da un Paese all’altro
• Disturbi creati da ostacoli
(metallo, acqua, ecc...) nella zona
• Gestione dei prodotti nella
distribuzione
2.45 Ghz
(micro-onde)
• Velocità elevata di trasferimento
tra antenna ed etichetta
• Distanza di dialogo importante
(diversi metri)
• « Buchi » nella zona di dialogo
difficili da controllare
• Costo dei sistemi di lettura
• Controllo dei veicoli
(pagamenti autostradali)
A Fig. 35
Descrizione delle bande di frequenze utilizzate in RFID
Le potenze e le frequenze utilizzate variano in funzione delle applicazioni
dei diversi Paesi. Sono state identificate tre grandi zone geografiche di
riferimento: Nord America, Europa e resto del mondo.
A ciascuna zona e a ciascuna frequenza corrisponde un modello
autorizzato di spettro di emissione (norma CISPR 300330) nel quale
ciascuna stazione/antenna RFID deve essere iscritta.
v Codifica e protocollo
I protocolli di scambio tra le stazioni e le etichette sono definiti da norme
internazionali (ISO 15693 - ISO 14443 A/B).
Vi sono anche standard più specializzati in corso di definizione, ad esempio
quelli destinati al settore della grande distribuzione (EPC -Electronic Product
Code-) o per l’identificazione degli animali (ISO 11784).
b Prestazioni del sistema d’identificazione RFID
Rispetto ai dispositivi a codice a barre (etichette o marcature e lettori), il
sistema d’identificazione RFID presenta i seguenti vantaggi:
- possibilità di modifica delle informazioni contenute nell’etichetta,
- lettura/scrittura attraverso la maggior parte dei materiali non metallici,
- insensibilità a polveri, incrostazioni, ecc.
- possibilità di registrare diverse migliaia di caratteri in un’etichetta,
- confidenzialità delle informazioni (blocco dell’accesso ai dati contenuti
nell’etichetta).
Tutti questi vantaggi concorrono allo sviluppo dell’identificazione RFID nel
settore dei servizi (ad esempio: controllo accessi sulle piste da sci) e della
distribuzione.
La diminuzione costante dei prezzi delle etichette RFID dovrebbe inoltre
portare i dispositivi RFID a sostituire i tradizionali codici a barre sui
contenitori (cartoni, container, bagagli) in diversi settori, quali la logistica e
i trasporti, ma anche sui prodotti in corso di fabbricazione nell’industria.
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Sistema di identificazione a radio frequenza
RFID o Radio Frequency IDentification
Sistemi di visione
Tuttavia è importante precisare che, utilizzando questi sistemi, l’attraente
idea dell’identificazione automatica del contenuto dei carrelli davanti alle
casse degli ipermercati, senza spostamento della merce, non può ancora
essere presa in considerazione per ragioni fisiche e tecniche.
6.8
Sistemi di visione
b Principio
È l’occhio della macchina che fornisce la vista al sistema di automazione.
Su un’immagine presa da una fotocamera le caratteristiche fisiche
dell’oggetto sono digitalizzate e permettono quindi di conoscerne
(C Fig.36):
- le dimensioni,
- la posizione,
- l’aspetto (stato della superficie, colore, luminosità, presenza di difetti),
- la marcatura (loghi, marchi, caratteri, ecc...).
A Fig. 36
Controllo di un pezzo meccanico.
I contrassegni indicano le zone
verificate dal sistema
L’utente può anche automatizzare funzioni complesse:
- di misura,
- di guida,
- e d’identificazione.
b I punti chiave del sistema di visione
6
Un sistema di visione industriali è costituito da un sistema ottico
(illuminazione, fotocamera e gruppo ottico), associato ad un’unità di
elaborazione e ad un comando di azionatori.
• Illuminazione
È essenziale avere un’illuminazione specifica e ad hoc, in grado di creare
un contrasto sufficiente e stabile, per valorizzare gli elementi da
controllare.
• Fotocamera e Ottica
Dalla scelta dell’ottica e della fotocamera dipende la qualità dell’immagine
(contrasto, definizione); questo con una distanza definita
fotocamera/oggetto e un oggetto da esaminare ben determinato
(dimensione, stato della superficie e dettagli da acquisire).
• Unità di elaborazione
L’immagine acquisita dalla fotocamera viene trasmessa all’unità di
elaborazione che contiene gli algoritmi di formazione e di analisi
dell’immagine necessari alla realizzazione dei controlli.
I dati ottenuti vengono successivamente trasmessi al sistema
di automazione o comandano direttamente un azionatore.
v Illuminazione
• Le tecnologie di illuminazione
- Illuminazione a LED (Diodo Elettro Luminescente)
Attualmente è il tipo di illuminazione privilegiato che assicura
un’illuminazione omogenea di lunghissima durata (30 000 ore).
È disponibile a colori, ma il campo coperto è limitato a 50 cm circa.
- Illuminazione a tubo fluorescente alta frequenza
Illuminazione a luce bianca che assicura una lunga durata (5 000 ore);
il volume illuminato o «campo» è importante e dipende evidentemente
dalla potenza luminosa utilizzata.
- Illuminazione alogena
Illuminazione a luce bianca caratterizzata da una breve durata (500 ore);
richiede una potenza notevole e può coprire un campo importante.
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Rilevamento dati
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6.8
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Sistemi di visione
Questi tipi di illuminazione possono essere applicati in diversi modi.
Per far risaltare la caratteristica da controllare vengono utilizzati
principalmente cinque sistemi(C Fig.37):
- Anulare,
- Retro-illuminazione,
- Lineare diretto,
- Radente,
- Coassiale.
Sistemi
Caratteristiche
Applicazioni tipo
• Insieme di LED disposti ad anello
• Consigliato per un controllo di precisione,
di tipo marcatura
Anulare
• Sistema d’illuminazione molto potente
• Permette d’illuminare l’oggetto lungo il suo asse,
dall’alto
Retroilluminazione
• Illuminazione posizionata dietro l’oggetto e di fronte alla fotocamera
• Consigliato per misurare le dimensioni di un oggetto
• Consente di mettere in evidenza la sagoma
dell’oggetto (ombra cinese)
• o analizzare elementi opachi
Lineare diretto
• Utilizzato per mettere in evidenza una piccola superficie • Consigliato per la ricerca di difetti precisi,
dell’oggetto da controllare e creare un’ombra portata il controllo della filettatura, ecc...
Radente
• Rilevamento dei bordi (contorni)
• Controllare una marcatura
• Consigliato per controllare i caratteri stampati,
lo stato di una superficie, rilevare le graffiature, ecc...
• Rilevare i difetti su superfici vetrate
o metalliche
Coassiale
• Consente di mettere in evidenza delle superfici liscie • Consigliato per controllare, analizzare e misurare
perpendicolari all’asse ottico orientando
superfici metalliche piane o altre
la luce verso uno specchio semi-riflettente
superfici riflettenti
A Fig. 37
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Tabella dei diversi tipi di illuminazione per i sistemi di visione industriale
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v Fotocamere e ottica
• Le tecnologie delle fotocamere
- Fotocamera digitale CCD (Charged Coupled Device). Attualmente
queste fotocamere vengono privilegiate per la loro buona definizione.
Per i processi continui si utilizzano fotocamere lineari (CCD a configurazione lineare).
In tutti gli altri casi si utilizzano fotocamere a configurazione matriciale
(CCD matriciale).
A Fig. 38
I formati di rilevatori utilizzati
nell’industria
Le fotocamere industriali utilizzano diversi formati di risoluzione del
sensore (C Fig.38) definiti in pollici: 1/3, 1/2 e 2/3 (1/3 e 1/2:
videocamera, 2/3 e oltre: alta risoluzione industriale, televisione, ecc...).
Le ottiche sono dedicate a ciascun formato per utilizzare tutti i pixel disponibili.
- Fotocamera con sensore CMOS: progressivamente sostituita dalla
tecnologia CCD. Costo interessante –> utilizzo per applicazioni base
- Fotocamera Vidicon (tubo): ormai obsoleta.
• La scansione
Le fotocamere utilizzano principalmente due modi per visualizzare
il segnale video: la scansione interlacciata e la scansione progressiva
(Progressive scan = full frame).
A Fig. 39
Scansione interallacciata
Nel caso in cui le vibrazioni e la presa d’immagine al volo siano frequenti
si consiglia di utilizzare un sistema a Scansione progressiva (Progressive
Scan) o Full Frame.
I rilevatori CCD consentono l’esposizione di tutti i pixel nello stesso momento.
• La scansione interlacciata
La scansione interlacciata, usata nei formati televisivi standard, visualizza
soltanto la metà delle linee orizzontali in una volta (C Fig.39).
Viene visualizzato il primo campo, contenente le linee con numero dispari,
seguito dal secondo campo, contenente e linee con numero dispari.
Questa tecnica permette di non aumentare la larghezza di banda a
prezzo di qualche difetto poco visibile su uno schermo piccolo, in
genere lo scintillio.
A Fig. 40
Scansione progressiva
A Fig. 41
Confronto delle scansioni
• La scansione progressiva
È la tecnologia utilizzata in informatica: visualizza tutte le linee orizzontali
di un immagine in una volta, come frame singolo (C Fig.40).
A differenza della scansione interlacciata permette di acquisire l’immagine
riga per riga: le immagini acquisite non vengono suddivise in campi
diversi come accade con la scansione interlacciata.
Questo tipo di tecnologia è particolarmente utile nelle applicazioni di
videosorveglianza, soprattutto nel caso in cui sia necessario visualizzare
in dettaglio immagini in movimento come nel caso di persone in fuga.
Il suo interesse consiste soprattutto nell’eliminazione dello scintillio e
nell’ottenimento di un’immagine stabile (C Fig.41).
• Il gruppo ottico
- Gli obiettivi più utilizzati negli ambienti industriali sono quelli da
avvitare con passo C o CS, Ø 25.4 mm.
- La distanza focale (f in mm) si esprime direttamente a partire dalle
dimensioni dell’oggetto da inquadrare (H in m), dalla distanza D tra
l’oggetto e l’obiettivo (D in m) e dalla dimensione dell’immagine (h in
mm): f= D x h/H (C Fig.42). Si avrà anche angolo di campo = 2 x arctg
(h/(2xf)). Quindi minore è la distanza focale e più il campo coperto è
grande.
- La scelta del tipo di obiettivo si effettua quindi in funzione della
distanza D e della dimensione del campo visualizzato H.
v Unità di elaborazione
A Fig. 42
La sua elettronica ha due funzioni fondamentali: formare l’immagine e poi
analizzarla migliorata.
La distanza focale
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Rilevamento dati
6.8
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Sistemi di visione
• Algoritmi di formazione dell’immagine
Le pre-elaborazioni cambiano il livello di grigio dei pixel.
Il loro scopo è di migliorare l’immagine, per poterla analizzare con più
efficacia. Tra le possibili funzioni di pre-elaborazione le più utilizzate sono:
- la binarizzazione,
- la proiezione,
- l’erosione/dilatazione,
- l’apertura/chiusura.
• Algoritmi di analisi di immagine.
Nella tabella della Fig. 43 sono presenti diversi algoritmi di analisi di
immagine. È importante notare che nella colonna «Requisiti» sono
indicate le elaborazioni d’immagine che precedono questa analisi.
Algoritmo
Principio di funzionamento e utilizzo
di analisi
dell’immagine privilegiato (in grassetto)
Linea
Finestra binaria
Finestra
livello di grigio
Requisiti
Vantaggi
Limiti
Conteggio di pixel, d’oggetto
Presenza/Assenza, conteggio
Binarizzazione ed
eventualmente
regolaz. dell’esposizione
Molto rapido (<ms)
Attenzione alla stabilità
dell’immagine rispetto
alla binarizzazione
Conteggio di pixel
Presenza/Assenza, analisi di superficie,
controllo d’intensità
Binarizzazione ed
eventualmente
regolazione esposizione
Rapido (ms)
Attenzione alla stabilità
dell’immagine rispetto
alla binarizzazione
Calcolo del livello di grigio medio
Presenza/Assenza, analisi di superficie,
controllo d’intensità
Nessuno
Binarizzazione ed
eventualmente
regolazione esposizione
Bordo binario
Rilievo bordo su immagine binaria
Misura, presenza/assenza,
posizionamento
Bordo livello
di grigio
Rilievo bordo su immagine a livello di grigio
Misura, presenza/assenza, posizionamento
Nessuno ed
eventualmente
regolazione esposizione
Estrazione
di forma
Conteggio, rilevamento oggetto, rilevamento
misure e parametri geometrici
Posizionamento, ri-posizionamento,
misura, smistamento, identificazione
Binarizzazione ed
eventualmente
regolazione
esposizione
Confronto
avanzato
Riconoscimento di forma,
posizionamento, ri-posizionamento,
misura, smistamento, conteggio, identificazione
Nessuno
OCR/OCV
Riconoscimento caratteri (OCR)
o verifica di caratteri o loghi (OCV)
Attenzione particolare
al contrasto dell’immagine.
Ingrandire al massimo
l’immagine. Utilizzare
un riposizionamento
A Fig. 43
152
Precisione al pixel.
Attenzione alla
stabilità dell’immagine
rispetto alla binarizzazione
Precisione sub-pixel
Richiede un
possibile. Pre-elaborazione
riposizionamento
proiezione livello
preciso
di grigio possibile
Numerosi risultati
estratti, polivalente.
Consente un
riposizionamento
a 360°
Facile da realizzare
Lettura di ogni tipo di
carattere o logo mediante
apprendimento
di una biblioteca
(alfabeto)
I diversi algoritmi di analisi dell’immagine utilizzati nei sistemi di visione industriali
Schneider Electric
Precisione al pixel.
Attenzione alla
stabilità dell’immagine
rispetto alla binarizzazione.
Tempo da 10 a 100 ms
Riconoscimento limitato
a 30°. Tempo da 10 a
100 ms se modello e/o
zona di ricerca
importante
Attenzione alla stabilità
della marcatura da
controllare nel
tempo (ad es. pezzi
imbutiti)
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Encoder optoelettronici
Gli encoder optoelettronici
b Presentazione di un encoder rotativo optoelettronico
v Composizione
L’encoder rotativo optoelettronico è un rilevatore di posizione angolare.
L'asse dell'encoder è collegato meccanicamente all'albero della macchina
che lo trascina e fa ruotare un disco ad esso collegato che presenta una
serie di parti opache e trasparenti in successione.
A Fig. 44
Encoder rotativo optoelettronico
La luce emessa da diodi elettroluminescenti (LED) attraversa le zone
trasparenti del disco giungendo sui fotodiodi ricevitori.
I fotodiodi generano quindi un segnale elettrico che viene amplificato e
convertito in segnale digitale prima di essere trasmesso ad una unità di
elaborazione.
La Fig. 44 mostra un encoder rotativo optoelettronico.
v Principi
La rotazione di un disco graduato, funzione dello spostamento
dell’oggetto da controllare, genera degli impulsi tutti simili in uscita da un
rilevatore ottico.
La risoluzione, ovvero il numero di impulsi al giro, corrisponde al numero
di piste sul disco o ad un multiplo di quest’ultimo. Più il numero di punti è
elevato, più il numero di misure al giro consentirà una divisione più fine
dello spostamento o della velocità dell’oggetto mobile collegato
all’encoder.
Esempio applicativo: taglio in lunghezza.
La risoluzione si esprime con la formula
distanza percorsa per 1 giro
numero di punti
Quindi, se il prodotto da tagliare misura 200 mm e la precisione del taglio è 1
mm, l’encoder dovrà avere una risoluzione di 200 punti. Per una precisione
di 0.5 mm la risoluzione dell’encoder dovrà essere uguale a 400 punti.
v Realizzazione pratica (C Fig.45)
La parte emissione viene realizzata da una sorgente luminosa tripla
composta da tre fotodiodi o LED (per la ridondanza), con una durata dai
10 ai 12 anni.
A Fig. 45
Principio di un encoder incrementale
Un ASIC associato al rilevatore ottico consente di ottenere dei segnali
digitali dopo l’amplificazione.
Il disco è in POLYFASS (Mylarmica) incassabile per risoluzioni che
raggiungono:
- 2 048 punti per un diametro di 40 mm,
- 5 000 punti per un diametro di 58 mm,
- 10 000 punti per un diametro di 90 mm,
o VETRO per risoluzioni superiori e frequenze di lettura elevate, fino a 300 KHz.
b Gamme di encoder optoelettronici
L’offerta dei costruttori consente di coprire tutte le applicazioni industriali.
con diverse gamme di prodotti (C Fig.46) :
- gli encoder incrementali che consentono di conoscere la posizione di
un oggetto mobile e di controllarne lo spostamento mediante
conteggio bidirezionale degli impulsi emessi,
- gli encoder assoluti di posizione che forniscono la posizione esatta su
uno o più giri.
A Fig. 46
Disco graduato di un encoder
incrementale
Entrambe le gamme offrono varianti quali:
- gli encoder assoluti multi-giro,
- gli encoder tachimetrici che forniscono anche le misure di velocità,
- i tachimetri che elaborano le informazioni per fornire le misure di velocità.
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Rilevamento dati
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Encoder optoelettronici
Tutti questi dispositivi utilizzano tecniche simili e si distinguono per la finestratura dei
dischi e il modo in cui il segnale ottico viene elaborato o codificato.
v Encoder incrementali
Gli encoder incrementali sono adatti alle applicazioni di posizionamento e
di controllo dello spostamento di un oggetto mobile mediante conteggio
bidirezionale degli impulsi emessi.
A Fig. 47
Principio di rilevamento del senso
di rotazione e del top zero
• Il disco di un encoder incrementale è composto da due tipi di piste:
- una o più piste esterne (vie A e B), suddivise in “n” intervalli uguali,
alternativamente opachi e trasparenti, ove “n” rappresenta la
risoluzione o il numero di periodi dell'encoder. Dietro la pista esterna
sono installati due fotodiodi scalati che forniscono segnali digitali A e B ogni
qual volta il fascio luminoso attraversa una zona trasparente.
Lo sfasamento di 90° elettrico (1/4 di periodo) dei segnali A e B consente di
determinare il senso di rotazione: (C Fig.47).
In un senso, il segnale B è a 1 in corrispondenza del fronte di salita
del segnale A, mentre nel senso opposto è a 0,
- una pista interna (pista Z) comprendente una sola finestra, che
fornisce la posizione di riferimento e che consente una
reinizializzazione ad ogni giro (top 0). Il segnale Z, chiamato "top zero"
è sincronizzato con i segnali A e B.
• Utilizzo delle vie A e B
Gli encoder incrementali consentono tre livelli di precisione di
elaborazione:
- utilizzo dei fronti di salita solo della via A: elaborazione semplice,
corrispondente alla risoluzione dell'encoder,
- utilizzo dei fronti di salita e di discesa solo della via A:
la precisione di elaborazione è raddoppiata,
- utilizzo dei fronti di salita e di discesa delle vie A e B:
la precisione di elaborazione è quadruplicata. (C Fig.48).
• Eliminazione dei disturbi
Qualsiasi sistema di conteggio può essere disturbato dalla comparsa di
parassiti in linea che vengono conteggiati come impulsi emessi
dall'encoder.
A Fig. 48
Aumento del numero di punti
Per evitare questo rischio la maggior parte degli encoder incrementali emette,
oltre ai segnali A, B e Z, i segnali complementari A, B et Z . Se il sistema di
elaborazione è progettato per poterli utilizzare (comandi numerici NUM ad
esempio), i segnali complementari consentono di differenziare gli impulsi encoder
dagli impulsi parassiti (C Fig.49), evitando che questi ultimi vengano presi in
considerazione, o addiritttura la ricostruzione del segnale emesso (C Fig.50).
v Encoder assoluti
• Principio di realizzazione
Gli encoder assoluti sono destinati alle applicazioni di controllo
spostamento e posizionamento di un oggetto mobile.
Sono rotativi e funzionano in modo simile ai rilevatori incrementali, ma se
ne distinguono per il tipo di disco che presenta più piste concentriche
divise in segmenti uguali alternativamente opachi e trasparenti.
Un encoder assoluto emette costantemente un codice che rappresenta
l'immagine della posizione reale dell'oggetto mobile da controllare.
A Fig. 49
Eliminazione dei disturbi
A Fig. 50
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Ricostruzione di un segnale disturbato con e senza segnale complementare
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La prima pista interna (C Fig.51) è composta da una metà opaca e da una
metà trasparente. La lettura di questa pista consente di determinare in
quale metà si trova l’oggetto (MSB: Most Significant Bit).
A Fig. 51
Le piste successive, dal centro verso l’esterno del disco, sono suddivise in
quattro quarti alternativamente opachi e trasparenti. La lettura di questa
pista, combinata con la lettura della pista precedente, consente di
determinare in quale quarto di giro è situato l’oggetto. Le piste successive
consentono infine di determinare in quale ottavo di giro, sedicesimo di giro,
ecc., si trova l’oggetto.
Dischi incisi da un encoder assoluto
La pista esterna, corrisponde al bit meno significativo (LSB : Least
Significant Bit).
Il numero di uscite parallele corrisponde al numero di bit o di piste del
disco. L’immagine dello spostamento richiede una coppia
diodo/fototransistor pari ai bit emessi o alle piste del disco.
La combinazione di tutti i segnali in un dato istante fornisce la posizione
dell’oggetto.
Per ogni posizione angolare dell'asse il disco degli encoder assoluti
fornisce un codice numerico. Un solo codice corrisponde ad una sola
posizione. Il codice emesso da un encoder assoluto può essere un codice
binario o un codice Gray (C Fig.52).
A Fig. 52
Segnale fornito in codice Gray da un
encoder rotativo assoluto
• Vantaggi degli encoder assoluti
L’encoder assoluto presenta due importanti vantaggi rispetto all’encoder
incrementale:
- insensibilità alle interruzioni dell’alimentazione dal momento che alla
messa sotto tensione o in caso di interruzione della tensione l’encoder
fornisce un’informazione immediatamente utilizzabile dal sistema di
elaborazione, corrispondente alla posizione angolare reale dell’oggetto.
L’encoder incrementale richiede tuttavia una reinizializzazione prima di
poter utilizzare utilmente i segnali.
- insensibilità ai disturbi in linea. Un disturbo può modificare il codice emesso
da un encoder assoluto, ma questo codice torna automaticamente corretto
alla scomparsa del disturbo. Con un encoder incrementale il disturbo viene
elaborato tranne che nel caso in cui vengano utilizzati i segnali
complementari .
• Utilizzo dei segnali
Per ogni posizione angolare dell’asse il disco fornisce un codice che può
essere un codice binario oppure un codice Gray:
A Fig. 53
Principio di transcodificazione di Gray
in binario
- Il codice binario permette di effettuare le 4 operazioni aritmetiche su
numeri espressi in questo codice ed è quindi direttamente utilizzabile
dai sistemi di elaborazione (controllori programmabili ad esempio) per
effettuare calcoli o comparazioni. Tuttavia presenta l'inconveniente di
avere più bit che cambiano di stato tra due posizioni con conseguente
possibile ambiguità di lettura.
Per evitare questa ambiguità gli encoder assoluti generano un segnale
d’inibizione che blocca le uscite ad ogni cambio di stato.
- Il codice Gray presenta il vantaggio di avere un solo bit che cambia tra
due numeri consecutivi evitando possibili ambiguità di lettura.
Per essere utilizzato da un sistema di automazione il codice Gray
deve essere precedentemente transcodificato in binario (C Fig.53).
• Utilizzo di un encoder assoluto
Nella maggior parte delle applicazioni, la costante ricerca di
ottimizzazione della produttività impone spostamenti rapidi a grande
velocità con successivi rallentamenti che permettano posizionamenti
precisi.
A Fig. 54
Posizionamento di un oggetto mobile
su un asse
Per raggiungere questo obbiettivo con schede I/O standard, quando la
velocità è elevata è necessario controllare gli MSB in modo da far
intervenire il rallentamento a un semi-giro (C Fig.54).
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Rilevamento dati
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Encoder optoelettronici
v Varianti degli encoder
Per rispondere alle diverse esigenze d’impiego sono disponibili diverse
varianti di prodotti quali:
- Encoder assoluti multi-giro,
- Encoder tachimetrici e tachimetri,
- Encoder ad asse pieno,
- Encoder ad asse cavo,
- Encoder ad asse traversante.
v Associazione encoder - unità di elaborazione
I circuiti d’ingresso delle unità di elaborazione devono essere compatibili
con i flussi d’informazioni forniti dagli encoder (C Fig.55).
Unità di elaborazione
Encoder
Incrementale
Assoluto
Frequenza del segnale (kHz)
=< 0,2
Controllori
programmabili
Ingressi ON/OFF
X
Conteggio rapido
Schede d’assi
X
X
X
X
Controllo
numerico
Microcomputer
> 40
Collegamento
in parallelo
X
X
Ingressi paralleli
X
Schede specifiche
A Fig. 55
=< 40
X
X
X
X
Principali tipi di unità di elaborazione utilizzate nell’industria
b I rilevatori di velocità
b
-c
a
-a
c
S
N
-b
-b'
S
c'
A Fig. 56
Gli encoder sopra citati permettono di fornire un’informazione di velocità
mediante elaborazione del segnale di uscita.
N
-a'
-c'
b'
a'
Rappresentazione schematica
di un alternatore tachimetrico
La panoramica sui rilevatori non è completa se tralasciamo di citare i
rilevatori analogici di velocità, utilizzati principalmente per i sistemi di
asservimento velocità e associati in particolare ai variatori per motori a
corrente continua. Per il funzionamento ad anello chiuso dei convertitori
di frequenza i variatori moderni utilizzano un rilevatore di velocità virtuale
che, a partire da grandezze elettriche misurate nel variatore,
ricostituiscono la velocità reale della macchina.
v Alternatore tachimetrico
Questo rilevatore di velocità (C Fig.56) è composto da uno statore
formato da più avvolgimenti e da un rotore che integra dei magneti.
Questo dispositivo è simile ad un alternatore.
La messa in rotazione provoca delle tensioni alternate negli avvolgimenti
dello statore.
L’ampiezza e la frequenza del segnale generato dipendono direttamente
dalla velocità di rotazione.
Per realizzare un asservimento o un’indicazione della velocità è possibile
utilizzare sia la tensione (efficace o raddrizzata) che la frequenza.
Lo sfasamento degli avvolgimenti permette di rilevare facilmente il senso
di rotazione.
v Dinamo tachimetrica
A Fig. 57
156
Rappresentazione schematica
di una dinamo tachimetrica
e di una realizzazione industriale
Questo tipo di rilevatore di velocità è composto da uno statore che
comprende un avvolgimento fisso e da un rotore che incorpora dei
magneti (C Fig.57).
Il rotore è dotato di un collettore e di spazzole.
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Questo dispositivo cchina è simile ad un generatore di corrente continua.
Il collettore e il tipo di spazzole vengono scelti per limitare le tensioni di
soglia e le discontinuità di tensione al passaggio delle spazzole.
Permette di funzionare su un’ampia gamma di velocità.
La messa in rotazione induce una tensione continua la cui polarità
dipende dal senso di rotazione e la cui ampiezza è proporzionale alla
velocità.
Ampiezza e polarità possono essere utilizzate per realizzare un
asservimento o avere un’indicazione della velocità.
La tensione fornita da questo tipo di rilevatore è compresa tra 10 e
60 volt/1000 giri al minuto; in alcuni modelli di dinamo può essere
programmata dall’utente.
v I sensori di velocità a riluttanza variabile
Lo schema della Fig. 58 mostra questo tipo di sensore.
Il nucleo magnetico della bobina è sottoposto ai flussi d’induzione di un
magnete permanente. La bobina è posizionata a lato di un disco (ruota
polare) o di un elemento ferromagnetico rotante.
Lo scorrimento delle discontinuità magnetiche (denti, fessure, fori) del
disco o dal pezzo in rotazione provoca una variazione periodica della
riluttanza del circuito magnetico della bobina che induce in quest’ultima
una tensione di frequenza e d’ampiezza proporzionali alla velocità di
rotazione.
A Fig. 58
Rappresentazione schematica
di un rilevatore a riluttanza variabile
L’ampiezza della tensione dipende:
- dalla distanza bobina/pezzo,
- dalla velocità di rotazione: inizialmente è proporzionale a questa
velocità. A bassa velocità l’ampiezza può essere troppo ridotta per
essere rilevata, al di sotto di questa velocità limite il rilevatore diventa
inutilizzabile.
L’ampiezza di misura dipende dal numero di discontinuità magnetiche del
pezzo in rotazione. La velocità minima misurabile è tanto più bassa
quanto più elevato è il numero di passi. In compenso la velocità massima
misurabile sarà tanto più elevata quanto più basso sarà il numero di passi
a causa della difficoltà di elaborare segnali di frequenza elevata.
Le possibilità di misura variano in una gamma da 50 giri/min a 500 giri/min
con una ruota da 60 denti ad una gamma da 500 giri/min a 10000 giri/min
con una ruota da 15 denti.
La composizione del tachimetro a corrente di Foucault è simile; questo
dispositivo è utilizzabile a fianco di un elemento rotante in metallo non
ferromagnetico.
L’insieme bobina magnete permanente è sostituito da un circuito
oscillante. La bobina, che è la testa di misura, costituisce l’induttanza L
del circuito di un oscillatore sinusoidale. L’avvicinamento di un conduttore
in metallo modifica le caratteristiche L e R della bobina.
La rotazione di una ruota dentata davanti alla bobina produce, al
passaggio di ciascun dente, l’interruzione dell’oscillatore che viene
rilevato, ad esempio, dalla modifica della corrente d’alimentazione
dell’oscillatore.
Il segnale corrispondente ha una frequenza proporzionale alla velocità di
rotazione e la sua ampiezza, non essendo qui determinata dalla velocità
di rotazione, è indipendente da questa velocità. Ne risulta che questo tipo
di rilevatore è utilizzabile a basse velocità.
Questo tipo di sensore può anche essere utilizzato per la misura di sottovelocità o sovra-velocità, come ad esempio il sensore induttivo per
controllo rotazione XSAV o XS9 di Schneider Electric.
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Rilevamento dati
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6.10 Pressostati e vacuostati
Pressostati e vacuostati
b Cos’è la pressione?
La pressione è il risultato di una forza applicata su una superficie.
Se P è la pressione, F la forza e S la superficie, si avrà la relazione P=F/S.
La terra è circondata da uno strato d’aria che ha una certa massa e
quindi esercita una data pressione chiamata “Pressione atmosferica”.
La pressione atmosferica è data in hpa (ettopascal) o mbar.
1hPa = 1mbar.
a
A Fig. 59
b
c
Esempio di rilevatori di pressione
(marchio Schneider Electric)
a: Pressostato elettromeccanico
tipo XML-B
b: Pressostato elettronico tipo XML-F
c:Trasmettitore di pressione tipo XML-G
L’unità di misura della pressione del Sistema Internazionale è il Pascal (Pa):
1 Pa= 1N/1m2
L'unità di misura più comunemente utilizzata è invece il bar:
1bar = 105Pa = 105N/m2 = 10N/cm2
Pressostati, vacuostati e trasmettitori di pressione hanno la funzione di
controllare, regolare o misurare una pressione o una depressione in un
circuito idraulico o pneumatico.
I pressostati o vacuostati trasformano un cambiamento di pressione in
segnale elettrico “ON/OFF” al raggiungimento dei punti di riferimento
visualizzati. Possono essere elettromeccanici o elettronici (C Fig.59).
I trasmettitori di pressione (detti anche rilevatori analogici) trasformano la
pressione in un segnale elettrico proporzionale e sono a tecnologia
elettronica.
b I rilevatori per il controllo della pressione
A Fig. 60
v Principio
Principio di un rilevatore di pressione
elettromeccanico
(marchio Schneider Electric)
Gli apparecchi elettromeccanici utilizzano lo spostamento di una
membrana, di un pistone o di un soffietto per azionare meccanicamente
dei contatti elettrici (C Fig.60).
I I trasduttori di pressione elettronici Schneider Electric sono caratterizzati
da una cellula ceramica di misura della pressione (C Fig.61).
La deformazione di questa cellula, dovuta alla variazione di pressione,
viene rilevata dalle resistenze del Ponte di Wheatstone serigrafate sulla
ceramica stessa. La variazione della resistenza viene in seguito trattata
dal circuito elettronico integrato per dare un segnale digitale o
proporzionale alla pressione (es.: 4-20mA , 0-10v…).
Il controllo o la misura della pressione risultano dalla differenza tra le
pressioni ai due lati dell’elemento sottoposto alla pressione.
A seconda della pressione di riferimento, si utilizza la seguente terminologia:
Pressione assoluta: misurata rispetto ad un contenitore sigillato,
generalmente sotto vuoto
Pressione relativa: misurata rispetto alla pressione atmosferica.
A Fig. 61
Sezione di un rilevatore di pressione
(marchio Schneider Electric)
Pressione differenziale: misura la differenza tra due pressioni.
È importante notare che i contatti elettrici di uscita possono essere:
- di potenza, bipolari o tripolari, per il comando diretto di motori
monofase o trifase (pompe, compressori, ecc...),
- standard, per il comando delle bobine di contattori, relè, elettrovalvole,
ingressi controllore, ecc...
v Terminologia (C Fig.62)
• Terminologia generale
A Fig. 62
158
Rappresentazione grafica dei termini
comunemente utilizzati
- Gamma di funzionamento
È l'intervallo definito dal valore minimo del punto inferiore (PB) ed il
valore massimo del punto superiore (PA) per i pressostati e i vacuostati.
Corrisponde all’ampiezza di misura dei trasmettitori di pressione (o
rilevatori analogici). È importante notare che le pressioni visualizzate
sugli apparecchi hanno per base la pressione atmosferica.
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- Calibro
Valore massimo del campo di funzionamento per i pressostati.
Valore minimo del campo di funzionamento per i vacuostati.
a
- Punto d’intervento superiore (PA)
È il valore massimo della pressione regolato sul pressostato o sul
vacuostato e in corrispondenza del quale il contatto cambierà di stato
quando la pressione sarà crescente.
b
- Punto basso di riferimento (PB)
È il valore minimo della pressione regolato sul pressostato o sul
vacuostato e in corrispondenza del quale l’uscita del prodotto
cambierà di stato quando la pressione sarà discendente.
- Differenziale
È la differenza tra il punto d’intervento superiore (PA) e il punto
d’intervento inferiore (PB).
c
- Apparecchi a differenziale fisso
Il punto d’intervento inferiore (PB) è direttamente collegato al punto
d’intervento superiore (PA) attraverso il differenziale.
A Fig. 63
Rappresentazione grafica dei termini
specifici all’elettromeccanica
- Apparecchi a differenziale regolabile
La regolazione del differenziale consente di fissare il punto
d’intervento inferiore (PB).
• Terminologia specifica dell’elettromeccanica (C Fig.63):
- Precisione d’impostazione del punto di riferimento (C Fig.63a)
Tolleranza tra il punto d’intervento visualizzato e il valore reale di
attivazione del contatto. Per un punto d’intervento preciso (1a
installazione del prodotto), utilizzare il riferimento di un dispositivo di
taratura (manometro, ecc.).
- Ripetibilità (R) (C Fig.63b)
È la variazione del punto di intervento tra due manovre successive.
- Deriva (F) (C Fig.63c)
È la variazione del punto di intervento per tutta la durata
dell’apparecchio.
• Terminologia specifica dell’elettronica:
- La gamma di misura (EM) di un sensore di pressione corrisponde
all’intervallo delle pressioni misurate dall’apparecchio. È compresa tra
0 bar e la pressione corrispondente al calibro del sensore.
A Fig. 64
Rappresentazione grafica:
a) la linearità.
b) l'isteresi.
c) la ripetibilità.
- La precisione è costituita dalla linearità, dall’isteresi, dalla ripetibilità e
dalle tolleranze di regolazione. È espressa in % del campo di misura
del sensore di pressione (% EM).
- La linearità è la differenza maggiore tra la curva reale del sensore e la
curva nominale (C Fig.64a).
- L’isteresi è la differenza maggiore tra la curva a pressione
ascendente e la curva a pressione discendente (C Fig.64b).
- La ripetibilità è la banda di dispersione massima ottenuta facendo
variare la pressione in date condizioni (C Fig.64c).
- Le tolleranze di regolazione sono le tolleranze di regolazione fornite
dal costruttore del punto zero e della sensibilità (pendenza della curva
del segnale di uscita del sensore).
- Derive in temperatura
La precisione di un sensore di pressione è sempre sensibile alla
temperatura di funzionamento. È proporzionale alla temperatura e si
esprime in % EM / °C.
A Fig. 65
Rappresentazione grafica delle derive:
a) della sensibilità.
b) del punto zero.
- Deriva della sensibilità e del punto zero (C Fig.65a e b)
Il punto zero corrisponde al valore del segnale in assenza di
pressione. La sensibilità fornisce il rapporto tra il segnale di uscita e la
pressione.
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6.10 Pressostati e vacuostati
- Pressione massima ammissibile ad ogni ciclo (Ps)
Pressione che un pressostato è in grado di sopportare ad ogni ciclo
senza alcun effetto sulla sua durata. È pari, come minimo, a 1,25
volte il calibro dell’apparecchio.
- Pressione massima ammissibile accidentalmente
È la pressione massima, fuori choc di pressione, a cui il sensore di
pressione può essere sottomesso occasionalmente senza causare
danni all’apparecchio
- Pressione di rottura
È la pressione oltre la quale il sensore di pressione rischia di
presentare una fuga o un’esplosione della parte meccanica.
Tutte queste definizioni riguardanti le pressioni sono di fondamentale
importanza nella scelta del prodotto in grado di rispondere in modo
ottimale alle esigenze applicative.
v Altre caratteristiche dei rilevatori di presenza
In questo capitolo sono state presentate le diverse tecnologie di
rilevamento, ognuna delle quali presenta particolari vantaggi e limiti
d’impiego.
Per scegliere tra una tecnologia e un’altra è necessario tenere conto
anche di altri criteri valutando con attenzione i dati riportati nelle tabelle di
scelta inserite nei cataloghi dei costruttori.
In base ai rilevatori è necessario prendere in considerazione in modo
particolare:
- le caratteristiche elettriche,
- le caratteristiche ambientali,
- le opzioni di messa in opera.
b Criteri di scelta
A Fig. 66
Collegamento 2 fili e 3 fili
I paragrafi successivi presentano alcuni esempi di criteri di scelta che,
senza essere centrati sulla funzione base, presentano vantaggi nella
messa in opera e nell’utilizzo.
Tutte queste informazioni sono presenti nei cataloghi dei costruttori e
permettono di scegliere il dispositivo in modo corretto.
v Le caratteristiche elettriche
• La tensione d’alimentazione che può essere AC o DC tenendo
conto della gamma di variazione.
• Le tecnologie di commutazione: tecnologia “2 fili” o “3 fili”
(C Fig.66).
Tecnologia “2 fili”: il sensore è alimentato in serie con il carico ed è quindi
soggetto ad una corrente residua allo stato non passante e ad una caduta
di tensione allo stato passante. L’uscita può essere normalmete aperta o
normalmete chiusa (NO/NC) ed essere quasi costantemente protetta contro
i cortocircuiti.
Tecnologia “3 fili”: il rilevatore possiede due fili di alimentazione e un filo per
la trasmissione del segnale di uscita (o più, in caso di prodotti a più uscite).
L’uscita può essere del tipo a transistor PNP o NPN.
Entrambe le tecnologie sono comuni a molti costruttori, ma è importante
prestare particolare attenzione alle correnti residue e alle cadute di
tensione ai morsetti dei sensori: valori bassi garantiscono una miglior
compatibilità con qualsiasi tipo di carico.
v Caratteristiche ambientali
• Elettriche:
- immunità ai disturbi in linea,
- immunità alle radiofrequenze,
- immunità agli shock elettrici,
- immunità alle scariche elettrostatiche.
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6.10 Pressostati e vacuostati
6.11 Conclusione
• Termiche
Generalmente tra -25 e +70° per arrivare fino a -40 +120°C.
• Umidità/polveri
Grado di protezione dell’involucro (tenuta stagna): IP 68 ad esempio per
applicazioni sottoposte a emissioni di olio da taglio nelle macchine utensili.
v Opzioni di messa in opera
-
6.11
Forma geometrica (cilindrica o parallelepipeda),
Scatola in metallo/in plastica,
Montaggio immerso o non immerso nel metallo,
Dispositivi di fissaggio,
Tipo di collegamento, con cavo o connettore,
Funzioni di auto-apprendimento.
Conclusione
b E in futuro?
Le prestazioni dei sensori elettronici migliorano continuamente grazie
all’evoluzione dell’elettronica, sia per quanto concerne le caratteristiche
elettriche dei componenti che le loro dimensioni.
Con il boom delle telecomunicazioni (Internet, telefoni cellulari), le
frequenze di lavoro dell’elettronica sono aumentate, da qualche centinaia
di MHz ai Ghz. Di conseguenza è possibile, ad esempio, misurare più
facilmente le velocità di propagazione delle onde e quindi liberarsi da
fenomeni fisici locali. Inoltre, le tecnologie Bluetooth o Wi FI hanno
permesso la realizzazione di dispositivi wireless (senza fili), con
collegamenti radio su frequenze dell’ordine di 2.4 Ghz.
Altro aspetto interessante dell’elettronica moderna è rappresentato
dall’elaborazione digitale del segnale: la diminuzione dei costi dei microcontrollori consente di aggiungere funzioni evolute a semplici sensori
(autotuning sulle caratteristiche ambientali con acquisizione eventuale
presenza di umidità, fumo, elementi metallici vicini, rilevatori “intelligenti”
con funzioni di autocontrollo).
Grazie alle evoluzioni tecnologiche i sensori di rilevamento sapranno
rispondere in modo ottimale alle esigenze iniziali ed essere al contempo
facilmente adattabili alle evoluzioni e ai cambiamenti futuri; tutto questo
ad un costo pressochè invariato.
Il processo di innovazione richiede tuttavia investimenti importanti che
attualmente solo i grandi produttori sono in grado di affrontare.
b L’importanza dei rilevatori
Tutti i progettisti e gli utenti di sistemi automatici, dalla semplice porta di
garage alla catena di produzione, sanno bene che il corretto
funzionamento di un sistema di automazione dipende dalla scelta dei
sensori atti a:
- proteggere i beni e le persone,
- rendere più affidabile il sistema di automazione di un processo
industriale,
- ottimizzare il controllo e comando delle apparecchiature industriali,
- controllare i costi di gestione.
I rilevatori hanno tuttavia precise esigenze per quanto concerne la loro
messa in opera e il loro utilizzo, esigenze inerenti le tecnologie utilizzate.
La tabella della Fig. 67 elenca le caratteristiche delle diverse tecnologie.
Questo per meglio valutare i limiti d’impiego e le regolazioni necessarie ai
diversi prodotti.
In caso di dubbio o di difficoltà nella scelta del prodotto consigliamo di
consultare gli specialisti dei costruttori.
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6.12 Guida alla scelta delle diverse tecnologie
Guida alla scelta delle diverse tecnologie
Oggetto rilevato
Distanza di rilevamento Ambiente
Tecnologia
Trasferimento e
messa in forma
Vantaggi
Elementi
indeformabili
Mediante contatto
da 0 a 400mm
(leva)
Meccanica
Contatto
elettromeccanico
Intuitivo, contatto a secco
di forte potenza
Contatto positivo
Pezzi metallici
--> 60mm
Induttiva
Statico ON/OFF
o analogico
Robusto, a tenuta stagna
Difficilmente perturbabile
Magneti
--> 100mm
Magnetica
Contact reed
Rileva attraverso tutti i
materiali non ferrosi
Tutti i tipi
--> 300m
Senza polveri
Senza presenza
di fluidi
Fotoelettrica
--> 60 mm
Secco
Capacitiva
--> 15m
Senza rumori rilevanti
(onde d’impulso)
Senza vapori
Ultrasonica
Etichetta elettronica,
libri, pezzi, pacchi…
Alcuni metri
Sensibile al metallo
Radiofrequenza
Dati numerici
Oggetti da semplici
a complessi
--> 1m
Ottica
Algoritmo di
riconoscimento
Controllo di presenza,
Dati digitali o analogici di forma, di colori
Qualsiasi tipo
di pezzo
A Fig. 67
162
Richiede
un’illuminazione
specifica
Guida alla scelta dei sensori
Schneider Electric
Portata elevata
Rilevamento di tutti i
tipi di oggetti
Statico
ON/OFF o
analogico
Rilevamento attraverso
tutti i materiali non
conduttori
Robusto
Rileva i materiali
trasparenti e le polveri
Etichetta per lettura
scrittura, rintracciabilità
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