Tecnologie Informatiche ed Elettroniche per le produzioni animali (corso TIE) CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE DELLA PRODUZIONE ANIMALE Massimo Lazzari

Tecnologie Informatiche ed Elettroniche per le produzioni animali(corso TIE)

CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE DELLA PRODUZIONE ANIMALE

Massimo LazzariScienze veterinarie per la salute,

la produzione animale e la sicurezza alimentare - VESPAUniversità degli Studi di Milano

Generalità su sensori e trasduttori

CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE DELLA PRODUZIONE ANIMALE

TIE per le Produzioni AnimaliMassimo Lazzari

Scienze veterinarie per la salute, la produzione animale

e la sicurezza alimentare - VESPAUniversità degli Studi di Milano

INQUADRAMENTO TECNOLOGIE DI BASEINQUADRAMENTO TECNOLOGIE DI BASETab.I – I componenti tecnologici di base dei sistemi per l’agricoltura di precisione. A: Tecnologie elettroniche; B: Tecnologie di posizionamento; C: Tecnologie informatiche hardware; D: Tecnologie informatiche hardware

OLTP

MONITORAGGIO Tipo di componente

AAMMBBII PPRROODD OOPPEERR CTR

OLAP

1 Sensori per la misura di parametri chimici e/o fisici inerenti l’ambiente e/o il contesto produttivo

2 Sistemi di identificazione

3 Dispositivi per telerilevamento prossimale o remoto (remote sensing o ground sensing)

A

4

Dispositivi attuatori per la regolazione e/o automazione del funzionamento di macchine o impianti, inclusi i sistemi per il dosaggio a rateo variabile dei fattori (VRT, Variable Rate Technologies)

5 Dispositivi per il controllo dei transiti (gate detecting)

(c)

(a)

6 Sistemi GPS B

7 Sistemi DGPS

8 Computer mobili (anche con funzioni di data-logger)

9 Computer fissi 10 Reti (Intranet locali e Internet) C

11 Sistemi di comunicazione e trasferimento dati (CAN bus, trasmissioni in RF, soluzioni wireless e bluetooth, etc.)

12 DBMS (Database Management Systems)

13

GIS (Geographical Information Systems), incluse eventuali procedure di supporto alla rappresentazione ed elaborazione dei dati cartografici (geostatistica, georeferenziazione e ortorettifica delle immagini)

D

14

Pacchetti software multifunzionali (Office Automation) o per applicazioni specifiche (statistica, analisi costi di esercizio, razionamenti, prescrizione concimazioni, analisi delle immagini, diagnostica attraverso indici multispettrali, etc.)

) Non previsto o inadatto; ) Non indispensabile, benché potenzialmente utile; ) Consigliato, sicuramente utile; ) Necessario o estremamente utile.

TECNOLOGIE ELETTRONICHE TECNOLOGIE ELETTRONICHE DI BASEDI BASE

TECNOLOGIE DI TECNOLOGIE DI POSIZIONAMENTOPOSIZIONAMENTO

TECNOLOGIE INFORM. TECNOLOGIE INFORM. HARDWAREHARDWARE

TECNOLOGIE INFORM. TECNOLOGIE INFORM. SOFTWARESOFTWARE

INFORMAZIONI E DATI (2)INFORMAZIONI E DATI (2)

UTILIZZOUTILIZZO

RACCOLTARACCOLTA

ELABORAZIONEELABORAZIONE

ANALISIANALISI

decisione

decisione azione

azione

Attività dicontrollo

Attività dimonitoraggio

Dati grezzi

Selezione e sintesi dei dati

Dati valutati

Informazioni

Utilizzo INTRA-AZIENDALE delle informazioni:SISTEMI DI PRESA DELLE DECISIONISISTEMI DI PRESA DELLE DECISIONI

Trasduttori e “sensori”

dalla Norma UNI-UNIPREA 4546:• Trasduttore:

« mezzo tecnico che compie

su un segnale d’ingresso una certa elaborazione,

trasformandolo in un segnale d’uscita. »

• Sensore:« particolare trasduttore che si trova in

diretta interazione con il sistema misurato. »

DEFINIZIONIDEFINIZIONI

Trasduttore: E' un dispositivo in grado di trasformare le variazioni di una grandezza fisica , normalmente non elettrica , in un'altra grandezza , normalmente di natura elettrica (tensione , frequenza o corrente).

E’ composto da due parti:

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

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


A volte, per la complessità della trasformazione richiesta,

il trasduttore può essere costituito da più trasduttori elementari messi l’uno

in cascata all’altro: il primo della cascata, quello cioè che ha in ingresso il

misurando, viene chiamato “sensore”.

E






Trasduttore “forza-tensione”

Trasduttore“forza-spostamento”

Trasduttore“spostamento-tensione”


Sensore






I realtà nel lingaggio comune vale:


Il sensore ha lo scopo, attraverso un elemento sensibile e un trasduttore, di inviare un segnale di misura agli elementi della catena in modo tale che questo segnale mantenga una proporzionalità con la grandezza fisica dell’ambiente misurando e possa quindi diventare esso stesso (il segnale) un elemento di input per il sistema di controllo.

Nei sistemi di misura e di controllo automatico, quindi, il sensore è il dispositivo che fornisce in uscita un segnale che dipende dal valore di una determinata grandezza presente all’ingresso: è quindi analogo al trasduttore (i due termini sono talvolta usati come sinonimi) e si basa spesso sugli stessi principî di funzionamento, ma se ne differenzia per la funzione, che nel trasduttore è di convertire la variazione di una grandezza fisica nella variazione di un’altra (a fini di misura, di registrazione o di utilizzazione del nuovo segnale generato) mentre nel sensore è di determinare il valore della variabile in ingresso a fini di regolazione o di controllo del sistema in cui il sensore è impiegato

Sensore !!!!!!!!!!!

Il sensore complessivo spesso è sensibile a variabili che alterano il risultato della misura primaria, quindi per ottenere un buon funzionamento bisogna attenersi al data-sheet in cui sono descritti:

• I parametri caratteristici del sensore ;

•Gli schemi dettagliati più comuni di utilizzo;

• I circuiti di prova per verificare le caratteristiche


Analogico: quando il suo segnale di uscita è una grandezza elettrica che varia in modo continuo mantenendo una doppia corrispondenza con il valore della grandezza misurata

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

TIPI DI SENSORETIPI DI SENSORE

Attivi: Quando forniscono in uscita un segnale direttamente utilizzabile da circuiti di elaborazione senza nessun consumo di energia elettrica. E’ il caso delle celle fotovoltaiche e delle termocoppie.

Passivi: Sono quei sensori ai quali bisogna fornire energia elettrica perché la grandezza fisica d’uscita possa essere trasformata in una grandezza elettrica. Ad esempio il potenzimetro che fornisce in uscita valori di resistenza diversi, a seconda della posizione.

TIPI DI SENSORETIPI DI SENSORE

E

tg=K

U

U=KI

I

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

E' il legame che intercorre tra la variabile da misurare (ingresso) e il segnale elettrico di uscita del trasduttore. I trasduttori la cui caratteristica è una retta sono detti lineari.

CARATTERISITICA DI TRASFERIMENTOCARATTERISITICA DI TRASFERIMENTO

offset I=grandezza d' ingresso

U=KI+offset

U=Grandezza di uscita

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

OFFSETOFFSET

E' l'intervallo dei valori che può assumere la grandezza che deve essere trasdotta.

Saturazione

Range di Funzionamento

Zona lineare

Max Min

RANGE DI FUNZIONAMENTORANGE DI FUNZIONAMENTO

Caratteristica Ideale

Deviazione

U=Grandezza di uscita

Caratteristica reale

I=Grandezza d' ingresso

ISTERESIISTERESI

Isteresi: E' l' area racchiusa tra le due curve e rappresenta una imprecisione di misura. Dovrebbe

essere inferiore allo 0,1%

Maggiore pendenzasensore più sensibile.

Valore massimo di uscita U1

U2

l

U

E' il rapporto tra la variazione della grandezza di uscita e la variazione della grandezza d' ingresso che la provoca. S = ΔU/ΔI =K

SENSIBILITA’SENSIBILITA’

TEMPO DI RISPOSTATEMPO DI RISPOSTA

E' il tempo che il trasduttore impiega per raggiungere in uscita il valore di regime corrispondente al valore d' ingresso.

In un sensore l’uscita non varia mai con continuità, ma presenta sempre una certa discontinuità, anche se molto piccola, tra un valore e il successivo. Si ha cioè un andamento a gradino per cui si verifica che a due valori diversi di ingresso, tra di loro diversi, corrisponda una stessa uscita.

U

i

U

Umax

i1 i2

Dal grafico si vede che per tutti i valori di i compresi tra i1 e i2, l’uscita è sempre la stessa.

La quantità Δi normalmente non è costante, ma variabile nel campo dei valori misurabili.

Δi

Viene definita come risoluzione percentuale di un sensore il rapporto tra la quantità Δi e il valore massimo misurabile.

R = 100 Δi

Umax

Se ad esempio abbiamo un sensore con fondoscala = 10 Volt ed ha una risoluzione R =0.04%

Δi = 0.04 x 10 / 100 = 0.004 Volt Vuol dire che il nostro sesnore è in grado apprezzare una variazione di ingresso pari a 0.004 Volt

RISOLUZIONERISOLUZIONE

Precisione = basso errore standard -errore quadratico medio deviazione –

standard = 2,8%

ACCURATEZZA E PRECISIONEACCURATEZZA E PRECISIONE

Accuratezza = differenza di misura con un gold standard – esigenza

taratura periodica

• Classificazione in base a caratteristiche fisiche

• resistiviresistivi:: sfruttano la variazione della resistenza (fotoresistori, termoresistori, sensori di posizione);

• capacitivicapacitivi:: sfruttano la variazione della capacita' di un condensatore (sensori di umidità);

• elettroacusticielettroacustici:: convertono segnali sonori in grandezze elettriche (microfoni);

• elettrodinamicielettrodinamici:: si basano sul principio della forza elettromotrice per misurare velocita' (dinamo tachimetrica);

• elettromagneticielettromagnetici: utilizzano il principio dell'induttanza elettrica per rilevare angoli di rotazione;

• magnetorestivimagnetorestivi: si fondano sul principio della permeabilita';

• piezoelettricipiezoelettrici: sfruttano l'originarsi di una polarizzazione elettrica su facce opposte di cristalli sottoposti a sollecitazioni (stress) fisiche;

• a semiconduttoresemiconduttore: sfruttano le caratteristiche della giunzione dei semiconduttori (fotodiodi, fototransistor).

CLASSIFICAZIONE IN BASE AL PRINCIPIO FISICO MISURATO CLASSIFICAZIONE IN BASE AL PRINCIPIO FISICO MISURATO (INPUT)(INPUT)

CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLO SCOPO (OUTPUT)CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLO SCOPO (OUTPUT)

• E’ possibile utilizzare come sensori di posizione un reostato in modo da convertire la posizione in una variazione di resistenza infatti:

• se avviene un allungamento la misura della resistenza consente di misurare indirettamente lo spostamento.

Rl

S

S

llRR

SENSORI RESISTIVISENSORI RESISTIVI




SENSORI RESISTIVI PER MISURA DI FORZESENSORI RESISTIVI PER MISURA DI FORZE

UNA SEMPLICE BILANCIA

R = f (MASSA)

SESNORI DI PRESSIONE

SENSORI RESISTIVI PER MISURA DI PRESSIONISENSORI RESISTIVI PER MISURA DI PRESSIONI

SENSORI TEMPERATURASENSORI TEMPERATURA

RTD = RESISTENCE TEMPERATURE DETECTOR

SENSORI TERMOCOPPIASENSORI TERMOCOPPIA

RESISTENCE TEMPERATURE DETECTOR

R = f(T)

SENSORI TERMORESISTIVISENSORI TERMORESISTIVI

TERMISTORITERMISTORI

TERMISTORITERMISTORI

SENSORI A CIRCUITO INTEGRATOSENSORI A CIRCUITO INTEGRATO

Faremo una lezione apposita

SENSORI OTTICI PER MISURA DELLA TEMPERATURASENSORI OTTICI PER MISURA DELLA TEMPERATURA

SENSORI INDUTTIVISENSORI INDUTTIVI

SENSORI CAPACITIVISENSORI CAPACITIVI

ε0 è la costante dielettrica del vuoto, εr quella del mezzo, A la superficie delle armature del condensatore, d la loro distanza.

• INDIRETTAMENTE SI USANO PER MISURARE LE CELLULE NEL LATTE

• IL FLUSSO DI LATTE

• Il RUMORE



SENSORI FOTOELETTRICISENSORI FOTOELETTRICI

n p

+ -

E

++

++

++

+++

+ - -

- -

- -

- -

- -

+

+

+

---

FOTOCELLULEFOTOCELLULE

FOTOCELLULEFOTOCELLULE

ENCODERENCODER

• L'elemento fotosensibile (un fotodiodo o un fototransistor) genera un treno di impulsi ed il loro numero è pari al numero delle zone trasparenti, alternate alle scure, intercettate dal blocco emettitore-ricevitore

• Il conteggio di questi impulsi consente di individuare la rotazione compiuta dal disco

LED

fotorivelatore

fotorivelatori

tracce ogni livello ha una risoluzione doppia rispetto a quello inferiore; con 10 tracce vengo ad avere una risoluzione di 210=1024 impulsi per giro (nota: i segnali provenienti dai fotorivelatori possono essere interpretati direttamente come una codifica binaria della posizione)

ENCODER INCREMENTALE:contando gli impulsi permette di valutare lo spostamento rispetto ad una posizione iniziale

ENCODER ASSOLUTO:fornisce la posizione assoluta

ENCODERENCODER

• I tachimetri elettronicI basano il loro funzionamento su un encoder che fornisce una sequenza di impulsi grazie a una coppia led-fotodiodo in genere integrati nell’encoder.

• I tachimetri digitali possiedono un generatore di clock il cui compito è di fornire una finestra temporale di durata costante che abilita il conteggio di un contatore.

ENCODERENCODER

La dinamo tachimetrica è un piccolo generatore di corrente continua. Nello statore è presente un magnete permanente. Il rotore racchiude l’avvolgimento indotto. Rispetto le tradizionali dinamo si pone molta cura nella costruzione per evitare attriti e eccentricità che falserebbero la lettura.

DINAMO TACHIMETRICADINAMO TACHIMETRICA

+ -+

++ +

N

S

+ + ++

si basano sulla misura della carica elettrica che compare sulla superficie di cristalli speciali (quarzi, topazi, sale di Rochelle) quando sono sottoposti a stress meccanici. EX podometro

SENSORI PIEZOELETTRICISENSORI PIEZOELETTRICI

SENSORI A ULTRASUONISENSORI A ULTRASUONI

SENSORI A ULTRASUONISENSORI A ULTRASUONI

OROLOGIOOROLOGIO

In genere oscillatori al quarzo, che genera la frequenza di base di 32,768 kHz.

http://www.youtube.com/watch?v=Vft2fKVLMVY

Elettrodo per un pH-metro

SENSORI ELETTROCHIMICISENSORI ELETTROCHIMICI

Un pHmetro usa il voltaggio di unacella per misurare la concentrazionedi H+ in una soluzione

SENSORI ELETTROCHIMICISENSORI ELETTROCHIMICI

SENSORI RIASSUNTOSENSORI RIASSUNTO

SENSORI RIASSUNTOSENSORI RIASSUNTO

INTEGRAZIONE CON GLI ALTRI COMPONENTI ELETTRONICIINTEGRAZIONE CON GLI ALTRI COMPONENTI ELETTRONICI

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