Sistemi Elettrici Automatici 3A Elettrotecnica Prof. Sergio De Nisi ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE “G.B. Pentasuglia” Via E. Mattei - tel. 0835/264114;

Sistemi Elettrici AutomaticiSistemi Elettrici Automatici

3A Elettrotecnica3A Elettrotecnica

Prof. Sergio De Nisi

ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE “G.B. Pentasuglia”

Via E. Mattei - tel. 0835/264114; e-mail: [email protected] MATERA


Corso di Sistemi Elettrici AutomaticiISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE

“G.B. Pentasuglia” Via E. Mattei - tel. 0835/264114; e-mail: [email protected]

75100 MATERA

Sensori e Trasduttori




75100 MATERA


Sensore

Dispositivo in grado di rilevare le variazioni di una grandezza fisica (temperatura, umidità, pressione, posizione, luminosità,…) e di fornire in uscita una grandezza elettrica (resistenza, capacità,…) senza utilizzo di fonti di energia.Sistemi-De Santis, Saggese, Cacciaglia




75100 MATERA


Trasduttore

In generale:qualsiasi dispositivo che converte dell'energia da una forma ad un'altra, in modo che questa possa essere rielaborata o dall'uomo o da altre macchine.

In particolare: dispositivo, generalmente elettrico o elettronico, che converte un certo tipo di energia in segnali elettrici.




75100 MATERA


Trasduttore

Il segnale elettrico in uscita dal trasduttore è “utilizzabile”.

Cosa intendiamo dire?




75100 MATERA


Le definizioni di sensore e trasduttore sembrano simili se non uguali. Invece sono diverse.

Un sensore può anche non avere in uscita una grandezza di tipo elettrico o, se ce l’ha, tale grandezza non assume valori tali da poter essere utilizzata direttamente (per es. tensione troppo piccola).




75100 MATERA


In pratica un trasduttore è dato dalla combinazione di un sensore e un convertitore che rende utilizzabile la grandezza in uscita dal sensore.

Esempio:In un termistore NTC la grandezza di uscita è una resistenza elettrica. La resistenza non è utilizzabile direttamente, ma applicandovi un generatore di corrente costante ai suoi capi si ha una tensione proporzionale alla resistenza stessa e quindi un segnale utilizzabile.

Altre definizioni valide

Sensore: dispositivo che rileva le variazioni di una grandezza modificando una delle proprie caratteristiche fisiche.

Convertitore: circuito elettronico che trasforma le variazioni di un parametro del sensore in una variazione di una grandezza elettrica.



75100 MATERA



Tipi di trasduttori:

Analogico: quando il suo segnale di uscita è una grandezza elettrica che varia in modo continuo. La grandezza d’uscita e quella d’ingresso variano con continuità assumendo tutti i valori appartenenti a un sottoinsieme di numeri reali

Digitale: quando il suo segnale di uscita è composto da uno o più segnali digitali che possono assumere ciascuno solo due livelli di tensione identificati come 1 e 0 (alto o basso).



75100 MATERA



Attivi: Quando forniscono in uscita un segnale direttamente utilizzabile da circuiti di elaborazione senza necessità di energia dall’esterno. Per esempio celle fotovoltaiche e termocoppie.

Passivi: Sono quei trasduttori ai quali bisogna fornire energia elettrica perché la grandezza fisica in ingresso possa essere trasformata in una grandezza elettrica in uscita. Ad esempio un potenziometro che fornisce in uscita una resistenza variabile a seconda della posizione. Per ottenere una tensione in uscita da un potenziometro dobbiamo alimentarlo con una tensione e quindi dobbiamo fornirgli energia dall’esterno.



75100 MATERA


I Trasduttori integrati: integrano componenti elettronici che trasformano la grandezza fisica rilevata in una tensione o corrente elettrica.



75100 MATERA


Caratteristiche dei trasduttori Caratteristica ingresso/uscita Linearità Range di funzionamento Sensibilità Tempo di risposta Isteresi Risoluzione



75100 MATERA


Caratteristiche dei trasduttori

Caratteristica ingresso/uscita

E’ la relazione, espressa matematicamente o graficamente, tra l’ingresso e la relativa uscita del trasduttore. La retta che avete determinato nella prova di laboratorio sul trasduttore di posizione lineare di tipo potenziometrico era proprio la sua caratteristica ingresso/uscita.



75100 MATERA


Uscita

Ingresso

Caratteristica lineare

Caratteristica non lineare

Uscita

Ingresso

Uscita

Ingresso


Caratteristica ingresso/uscita

La caratteristica in figura è lineare o no?



75100 MATERA


Uscita

Ingresso

Offset


Linearità

E’ la proprietà di un trasduttore di avere caratteristica ingresso/uscita più vicina possibile a una retta.

E’ data dal rapporto tra la massima distanza tra uscita e andamento lineare ed il massimo valore dell’uscita. Un trasduttore è lineare se la sua linearità è inferiore allo 0,1%.



75100 MATERA


Uscita

Ingresso


Range di funzionamento

E’ la differenza tra il valore massimo e quello minimo che può assumere la grandezza di ingresso.



75100 MATERA


Uscita

Ingresso

I


Sensibilità

E’ il rapporto tra la variazione di ingresso e la corrispondente variazione dell’uscita.



75100 MATERA


Uscita

Ingresso

I

U

ΔI

ΔUS


Tempo di risposta

E’ il tempo impiegato dal trasduttore per raggiungere un valore di regime corrispondente a quello della grandezza d’ingresso (tempo necessario a raggiungere il 90-98% del valore finale)



75100 MATERA


Uscita

Tempo


Isteresi

Aumentando e poi riducendo la grandezza di ingresso, l’uscita non passa necessariamente per lo stesso percorso



75100 MATERA


Uscita

Ingresso


Risoluzione

E’ la più piccola variazione della grandezza dell’ingresso che provoca una variazione della grandezza d’uscita. E’ data dal rapporto tra la minima variazione dell’uscita ed il valore massimo di fondo scala dell’uscita stessa.



75100 MATERA



Altre caratteristiche

Ripetibilità: capacità di fornire gli stessi risultati nelle stesse condizioniResistenza d’uscita: resistenza misurata ai morsetti d’uscitaStabilità termica: risposta alla variazione di un grado di temperaturaRisposta in frequenza: gamma di frequenza senza distorsioneRumore: segnale in uscita con ingresso in corto circuito.



75100 MATERA


Caratteristica dei Trasduttori; La Linearita’.

tg=K

U

U=KI

I

U: La grandezza di uscita del sensore I: La grandezza da misurareK: Coefficiente angolare

U=KI

Quando la retta non passa per l'origine la variabile d'uscita è diversa da zero in corrispondenza del valore nullo della variabile di ingresso. L'equazione è:

U=KI+offset

offset I=grandezza d' ingresso

U=KI+offset

U=Grandezza di uscita

Si definisce offset il valore non nullo della variabile di uscita corrispondente al valore nullo della variabile d' ingresso.

Linearità: Il funzionamento ottimale di un trasduttore è quello

definito da una caratteristica lineare.

La linearita è il parametro che evidenzia la deviazione tra la retta (caratteristica teorica) e la curva reale.

La non linearità è il valore massimo della deviazione rispetto alla curva teorica in valore assoluto riferito al valore massimo del segnale di uscita.

Un sensore è buono quando la sua non linearità non è superiore allo 0.1%.

Caratteristica Ideale

Deviazione

U=Grandezza di uscitaCaratteristica reale

I=Grandezza d' ingresso

Grandezza D’uscita

Range di funzionamento: E' l'intervallo dei valori che può assumere la grandezza

che deve essere trasdotta.

Saturazione

Range di

Funzionamento

Zona lineare

Max Min

Isteresi: E' l' area racchiusa tra le due curve e rappresenta una

imprecisione di misura.

Sensibilità: E' il rapporto tra la variazione della grandezza di uscita

e la variazione della grandezza d' ingresso che la provoca.

U

S=

I

Più il coefficiente angolare della retta è elevato più il trasduttore è sensibile e minore sarà il range di funzionamento.

Maggiore pendenzaTrasduttore più sensibile.

Valore massimo di uscita

U1

U2

l

U

Tempo di risposta: E' il tempo che il trasduttore impiega per raggiungere

in uscita il valore di regime corrispondente al valore d' ingresso.

Risoluzione: E' il rapporto percentuale tra la minima variazione

della grandezza di uscita in grado di essere rilevata e il valore massimo del fondo scala.

Ripetibilità: E' la capacità di un sensore di fornire sempre gli stessi

valori di uscita in corrispondenza dell' ingresso.

Stabilità: E' una piccola variazione delle caratteristiche del

sensore al variare della temperatura.

Radazione Luminosa: E' composta da particelle di energia dette fotoni i quali, colpendo un materiale semiconduttore, liberano una coppia di portatori.Alcuni semiconduttori convertono 0 un segnale luminoso in corrente elettrica e viceversa.

I dispositivi Opto Elettronici sono di tre tipi:

Dispositivi emettitori: Il Led è un diodo che emette un fascio luminoso,visibile o invisibile, quando è percorso dalla corrente; l'intensita’ della luce è determinata dall' intensità della corrente.

Dispositivi di disaccopiamento:

Sono formati da un dispositivo emettitore (LED) E da un dispositivo rivelatore (foto diodo) integrati sullo stesso chip. La corrente che attraversa il dispositivo emettitore si trasforma in luce che colpendo il dispositivo rivelatore si trasforma nuovamente in segnale elettrico.

Dispositivi rivelatori: Trasformano una radiazione luminosa in grandezza

elettrica ; i più comuni sono:

1.Fotoresistori: L'energia radiante , colpendo alcuni materiali semiconduttori , libera altri portatori di carica aumentando la conducibilità del dispositivo:

2.Fotodiodo: Nelle giunzioni tra semiconduttori P-N polarizzate inversamente la radiazione provoca un aumento della corrente inversa , effetto fotovoltaico.

Foto Transistore: Si basa sullo stesso principio del fotodiodo , ma la corrente generata nella giunzione di base è amplificata dal transistor.

Ic=hfe Ib

La Termoresistenza o RTD (Resistance Temperature Detector Rivelatore di Temperatura a resistenza) è un trasduttore di temperatura molto utilizzato in applicazione industriale.Essa è costruita con materiali metallici come il Platino ,Nichel e Tungsteno.La legge della variazione della resistenza con la temperatura ,lineare in un vasto Range di funzionamento,è:

Rt=R0*(1+*T)

Il trasduttore di temperatura AD590

Il trasduttore di temperatura AD590 è un dispositivo a due terminali,e per tensioni di alimentazioni nel range 4/30V genera una corrente di A/K.

Contenitore AD590(Visto dal Basso)

Nelle applicazioni pratiche si pone il problema di convertire il segnale di uscita dell’AD590 in tensione. Molto spesso è necessario adattare il segnale alle specifiche dei convertitori A/D.La conversione / V, è affidata ad un amplificatore operazionale che,per le sue caratteristiche,oltre a non caricare il segnale prodotto dal trasduttore,lo amplifica:

Il Trasduttore di Umidità.(Capacitivo)

Il trasduttore di umidità è stato progettato per le misure di umidità definita come il rapporto tra l’umidità assoluta (Quantità di vapore acqueo in un metro cubo d’aria) e l’umidità di saturazione (Massima quantità di vapore acqueo in un metro cubo di aria):

U%=

UAss

USat100

Il dispositivo è realizzato con un materiale dielettrico,non sensibile a sostanze inquinanti presenti nell’aria; ha una costante dielettrica relativa, ed una capacità Cs che dipendono dall’umidità relativa.Le faccie del dielettrico sono ricoperte da un sottile strato d’oro, i quali costituiscono le armature del condensatore alle quali vengono saldati i due reofori.Il tutto è protetto da un involucro plastico forato.

Il Trasduttore di Pressione . Per misurare la pressione si utilizzano dispositivi i

quali sono in grado di misurare la pressione. Essi si differenziano in base all’effetto fisico sul

quale si basano,questo puo’ essere il tipo:

Capacitivo: è un condensatore la cui capacità varia quando una delle due armature,costituita da una membrana,subisce una deformazione non permanente per la sua struttura,a causa della pressione ad essa applicata.Il trasduttore è poco sensibile alla variazione di temperatura e presenta alta stabilità.

Induttivo:è basato sul principio della variazione dell’induttanza o della riluttanza a causa delle variazioni di pressione;è un dispositivo di grande dimensione e poco sensibile.

Effetto Hall:è costituito da una membrana sulla quale si sposta un piccolo magnete a causa della variazione di pressione.

Piezoresistivo:è costituito da un semiconduttore la cui resistenza varia per la deformazione meccanica (in genere un incurvamento) di una membrana sotto l’azione di una forza applicata.

Il Trasduttore di posizione lineare: Potenziometro.

è costituito da una resistenza racchiusa in un contenitore metallico generalmente flangiato per il fissaggio,nel quale scorre un’asta metallica.All’esterno del contenitore sono riportati tre reofori detti inizio,centro e fine.

La resistenza del trasduttore,misurata tra il terminale inizio e centro,varia da 0 ,quando l’asta è nella posizione 0,ad un valore Rmax dipende dalle caratteristiche del trasduttore,quando l’0asta è nella posizione Lmax(asta tutta estesa).

Il Fotoresistore NORP-12

I Fotoresistori sono trasduttori sensibili alle radiazioni,essi sono costituiti da materiali semiconduttori leggermente drogati (solfuro di cadmio,CdS,solfuro di piombo,PbS ecc.)ed il loro principio di funzionamento è basato sull’effetto fotoconduttivo.Quando la superficie sensibile del fotoresistore viene esposta alla luce,l’energia raggiante assorbita provoca la rottura dei legami covalenti e quindi l’aumento delle coppie lacune-elettroni rispetto a quelle generate per effetto termico.

Questo fenomeno è noto come effetto fotoconduttivo,e determina l’aumento della conducibilità del semiconduttore.Le variazioni della resistenza R in funzione dell’illuminamento E(1) è data la seguente legge:

dove A è una costante,E è l’Illuminamento ed è una costante dimensionale minore di uno che dipende da come è costruito il dispositivo.

R=A*E-

Estensimetri.

Gli estensimetri sono componenti che subiscono una variazione di resistenza quando sono sottoposti a forze di trazione o compressione. Essi sono utilizzati per la misura (Gauge)di deformazioni e di forze e per le bilance elettroniche (Misure di peso).L’intensità di sollecitazione (Strain) deve essere contenuta nel limite della validità della legge di Hooke(Deformazione Elastica).Gli estensimetri si possono classificare nel seguente modo:

Estensimetri filiformi metallici o a strato metallico:sono realizzati con materiale metallico filiforme (Platino,Nichel-cromo,ecc)e variano la loro resistenza al variare delle dimensioni sia di lunghezza che sezione.

Estensimetri Piezoresistivi:sono realizzati con semiconduttori drogati di tipo p o n.Hanno una sensibilità maggiore di quella degli estensimetri metallici e basano il loro funzionamento sulla variazione della resistenza del materiale al variare delle dimensioni.

Estensimetri Piezoelettrici:sono realizzati con cristalli di quarzo.Essi generano una variazione di tensione quando sono sottoposti a sollecitazioni di natura meccanica

Gli estensimetri piezoelettrici sono maggiormente utilizzati perché è possibile integrare l’elemento semiconduttore sensibile,L’Amplificatore,il Circuito di Linearizzazione e quello di Compressione su un unico chip.

Dinamo Tachimetrica.

La dinamo tachimatrica è una macchina elettrica che trasforma energia meccanica in energia elettrica.Nei sistemi di controllo la dinamo è utilizzata come trasduttore analogico che trasforma una velocità angolare in una tensione continua.

Si consideri che una spira ruota attorno all’asse 0-0’ perpendicolare al campo d’induzione magnetica uniforme B,generato da un magnete permanente.Le estremità della spira sono collegate a due anelli,detti collettori,concentrici con l’asse di rotazione.I collettori sono isolati uno dall’altro,e sono collegati con il circuito esterno mediante due contatti striscianti.Si consideri anche che la dinamo contiene N spire e che ogni spira è collegata ad una coppia di collettori,e le spazzole sono collegate ad una particolare spira solo per un breve intervallo di tempo,durante il quale la spira presenta la Max superficie alle linee D’induzione magnetica…

…fornendo in uscita la Max f.e.m.i.in tal modo la tensione di uscita è costituita da un segnale quasi sempre continuo ed il ripple è tanto minore quanto piu’ è elevato il numero delle spire.

Encoder

L’Encoder è un trasduttore digitale che trasforma una velocità angolare in un treno di impulsi compatibili con segnali TTL e CMOS.Il dispositivo è costituito da un disco forato,che puo’ essere metallico ,di vetro o metacrilico,da un fotodiodo trasmettitore e da un fototransistor ricevitore.

Poiché il segnale d’uscita dell’encoder è distorto a causa dei tempi di commutazione del fototransistor quando la velocità di rotazione del disco è elevata,gli encoder di maggior qualità contengono un amplificatore e un trigger di Schmitt che consentono di ottenere un’onda quadra compatibile con segnali TTL e CMOS.

Documents

Sistemi Elettrici Automatici 3A Elettrotecnica Prof. Sergio De Nisi ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE “G.B. Pentasuglia” Via E. Mattei - tel. 0835/264114;