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

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1 Tecnologie Informatiche ed Elettroniche per le produzioni animali (corso TIE) CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE DELLA PRODUZIONE ANIMALE Massimo Lazzari Scienze veterinarie per la salute, la produzione animale e la sicurezza alimentare - VESPA Università degli Studi di Milano

2 Generalità su sensori e trasduttori CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE DELLA PRODUZIONE ANIMALE TIE per le Produzioni Animali Massimo Lazzari Scienze veterinarie per la salute, la produzione animale e la sicurezza alimentare - VESPA Università degli Studi di Milano

3 INQUADRAMENTO TECNOLOGIE DI BASE TECNOLOGIE ELETTRONICHE DI BASE TECNOLOGIE DI POSIZIONAMENTO TECNOLOGIE INFORM. HARDWARE TECNOLOGIE INFORM. SOFTWARE

4 INFORMAZIONI E DATI (2) UTILIZZO RACCOLTA ELABORAZIONE ANALISI decisione azione Attività di controllo Attività di monitoraggio Dati grezzi Selezione e sintesi dei dati Dati valutati Informazioni Utilizzo INTRA-AZIENDALE delle informazioni: SISTEMI DI PRESA DELLE DECISIONI

5 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. » DEFINIZIONI DEFINIZIONI

6 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. DEFINIZIONI DEFINIZIONI

7 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 DEFINIZIONI DEFINIZIONI

8 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”. Trasduttore “forza-tensione” Trasduttore “forza-spostamento” Trasduttore “spostamento-tensione” DEFINIZIONI DEFINIZIONI

9 Sensore 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”. DEFINIZIONI DEFINIZIONI

10 I realtà nel lingaggio comune vale: DEFINIZIONI DEFINIZIONI 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 !!!!!!!!!!!

11 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 DEFINIZIONI DEFINIZIONI

12 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 SENSORE TIPI DI SENSORE

13 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 SENSORE TIPI DI SENSORE E

14 tg  =K U U=KI  I U: La grandezza di uscita del sensore I: La grandezza da misurare K: 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 TRASFERIMENTO

15 offsetI=grandezza d' ingresso U=KI+offset U=Grandezza di uscita offset Si definisce offset il valore non nullo della variabile di uscita corrispondente al valore nullo della variabile d' ingresso. OFFSET

16 E' l'intervallo dei valori che può assumere la grandezza che deve essere trasdotta. Saturazione Range di Funzionamento Zona lineare MaxMin RANGE DI FUNZIONAMENTO

17 Caratteristica Ideale Deviazione U=Grandezza di uscita Caratteristica reale I=Grandezza d' ingressoISTERESI Isteresi: E' l' area racchiusa tra le due curve e rappresenta una imprecisione di misura. Dovrebbe essere inferiore allo 0,1%

18 Maggiore pendenza  sensore più sensibile. Valore massimo di uscita U1U1 U2U2 l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 =KSENSIBILITA’

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

20  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 i1i2  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. ΔiΔi  Viene definita come risoluzione percentuale di un sensore il rapporto tra la quantità Δi e il valore massimo misurabile.  R = 100 ΔiΔi Umax  Se ad esempio abbiamo un sensore con fondoscala = 10 Volt ed ha una risoluzione R =0.04%  Δi = 0.04 x 10 / 100 = Volt Vuol dire che il nostro sesnore è in grado apprezzare una variazione di ingresso pari a VoltRISOLUZIONE

21 Precisione = basso errore standard - errore quadratico medio deviazione – standard = 2,8% ACCURATEZZA E PRECISIONE Accuratezza = differenza di misura con un gold standard – esigenza taratura periodica

22 Classificazione in base a caratteristiche fisiche resistivi:resistivi: sfruttano la variazione della resistenza (fotoresistori, termoresistori, sensori di posizione); capacitivi:capacitivi: sfruttano la variazione della capacita' di un condensatore (sensori di umidità); elettroacustici:elettroacustici: convertono segnali sonori in grandezze elettriche (microfoni); elettrodinamici:elettrodinamici: 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; semiconduttorea semiconduttore: sfruttano le caratteristiche della giunzione dei semiconduttori (fotodiodi, fototransistor). CLASSIFICAZIONE IN BASE AL PRINCIPIO FISICO MISURATO (INPUT)

23 CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLO SCOPO (OUTPUT)

24 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. SENSORI RESISTIVI

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28 SENSORI RESISTIVI PER MISURA DI FORZE UNA SEMPLICE BILANCIA R = f (MASSA)

29 SESNORI DI PRESSIONE SENSORI RESISTIVI PER MISURA DI PRESSIONI

30 SENSORI TEMPERATURA RTD = RESISTENCE TEMPERATURE DETECTOR

31 SENSORI TERMOCOPPIA

32 RESISTENCE TEMPERATURE DETECTOR R = f(T) SENSORI TERMORESISTIVI

33 TERMISTORI

34 TERMISTORI

35 SENSORI A CIRCUITO INTEGRATO

36 Faremo una lezione apposita SENSORI OTTICI PER MISURA DELLA TEMPERATURA

37 SENSORI INDUTTIVI

38 SENSORI CAPACITIVI ε 0 è la costante dielettrica del vuoto, ε r quella del mezzo, A la superficie delle armature del condensatore, d la loro distanza.

39 INDIRETTAMENTE SI USANO PER MISURARE LE CELLULE NEL LATTE IL FLUSSO DI LATTE Il RUMORE SENSORI CAPACITIVI

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41 SENSORI FOTOELETTRICI

42 FOTOCELLULE

43 FOTOCELLULE

44 ENCODER 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

45 LED fotorivelatore fotorivelatori tracce ogni livello ha una risoluzione doppia rispetto a quello inferiore; con 10 tracce vengo ad avere una risoluzione di 2 10 =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 assolutaENCODER

46 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.ENCODER

47 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 TACHIMETRICA

48 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 PIEZOELETTRICI

49 SENSORI A ULTRASUONI

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

52 Elettrodo per un pH-metro SENSORI ELETTROCHIMICI

53 Un pHmetro usa il voltaggio di una cella per misurare la concentrazione di H + in una soluzione SENSORI ELETTROCHIMICI

54 SENSORI RIASSUNTO

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56 INTEGRAZIONE CON GLI ALTRI COMPONENTI ELETTRONICI


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