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TRASDUTTORI TRASDUTTORE = dispositivo che rileva una grandezza fisica (ingresso) e fornisce una grandezza elettrica (uscita) ad essa correlata Funzione.

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Presentazione sul tema: "TRASDUTTORI TRASDUTTORE = dispositivo che rileva una grandezza fisica (ingresso) e fornisce una grandezza elettrica (uscita) ad essa correlata Funzione."— Transcript della presentazione:

1 TRASDUTTORI TRASDUTTORE = dispositivo che rileva una grandezza fisica (ingresso) e fornisce una grandezza elettrica (uscita) ad essa correlata Funzione di Trasferimento(FdT): U=f(I) in generale NON è: completamente nota tempo-invariante per un trasduttore è desiderabile una FdT lineare: U=K·I

2 Applicazioni dei trasduttori Sistemi di acquisizione dati Sistemi di controllo AdP

3 Classificazione dei trasduttori criteriotipologia grandezza fisica rilevatadi temperatura, velocità, forza, pressione, luminosità,… legame ingresso/uscita (FdT) lineare, esponenziale, logaritmico tipologia di grandezze in gioco analogico, digitale grandezza elettrica di uscita tensione, corrente, variazione di un parametro elettrico (R, C, L) tipo di misura assoluto, incrementale

4 Condizionamento dei trasduttori segnali standard (facilmente utilizzabili con apparecchiature commerciali): corrente 0-20mA corrente 4-20 mA tensione 0-5V tensione 0-10V CONDIZIONAMENTO = elaborazione circuitale del segnale prodotto dal trasduttore, per ottenere un segnale adatto ai successivi circuiti di acquisizione e/o elaborazione (tipo di segnale, ampiezza, range,…) vedi Elettronica

5 Parametri caratteristici dei trasduttori caratteristiche statiche : parametri descrittivi della FdT del trasduttore A REGIME, cioè dopo il transitorio iniziale conseguente alla applicazione (gradino) dellingresso di riferimento caratteristiche dinamiche: insieme di parametri che quantificano le prestazioni del trasduttore rispetto a sollecitazioni variabili più o meno velocemente nel tempo. risposta al gradino risposta in frequenza

6 Caratteristiche statiche Precisione (accuratezza) = differenza fra il valore ideale (corretto) delluscita e il valore reale (falsato da errore) delluscita del trasduttore, con riferimento ad uno specifico ingresso. Viene generalmente data come %FSO (percentuale sulluscita di fondo scala) Off-set = valore assunto dalla grandezza duscita quando lingresso ha valore nullo off-set=U 0 =f(0) per un trasduttore lineare: U=k*I+U 0 Stabilità = attitudine del trasduttore a mantenere le proprie caratteristiche invariate nel tempo e al variare delle condizioni ambientali Campo di misura (range) = intervallo (I min I max )

7 Risoluzione = è la più piccola variazione dellingresso che provoca una variazione delluscita ( vedi ADC) Caratteristiche statiche Ripetibilità = attitudine del trasduttore a produrre la stessa uscita quando si effettuano ripetute applicazioni successive di uno stesso ingresso Sensibilità = è il rapporto tra la minima variazione apprezzabile del segnale di uscita e la corrispondente variazione dellingresso

8 Caratteristiche statiche Linearità : esprime lo scostamento tra landamento teorico (lineare, U=k*I) e quello reale della FdT del trasduttore Linearità dei punti estremi: è costituita dalla max. deviazione (percentuale sul FS) delluscita rispetto alla retta passante per i punti estremi (origine e FS). È valutata nai due casi: successione di ingresso crescente successione di ingresso decrescente

9 Caratteristiche statiche Isteresi = attitudine del trasduttore a produrre la stessa uscita, sia che il valore dingresso venga raggiunto da valori inferiori, sia che venga raggiunto da valori superiori per calcolare listeresi, si esegue la misura delluscita prima per una successione di valori di ingresso crescenti, poi per una successione di valori dingresso decrescenti e si calcola la differenza max. tra i valori duscita corrispondenti, espressa in percentuale del FS

10 Caratteristiche dinamiche costante di tempo = tempo necessario a raggiungere il 63% del valore di regime delluscita tempo di salita = tempo necessario a passare dal 10% al 90% del valore di regime delluscita dead time = tempo che intercorre tra lapplicazione del gradino e la prima manifestazione delluscita se il sistema descrittivo del trasduttore è del 1° ordine: Risposta al gradino

11 Caratteristiche dinamiche la risposta in frequenza è costituita dal diagramma di Bode del modulo della FdT in funzione della pulsazione del segnale dingresso Risposta in frequenza la risposta tipica è quella di un passa-basso:

12 TRASDUTTORI DI TEMPERATURA Le innumerevoli applicazioni pratiche dei trasduttori di temperatura spaziano dal controllo delle reazioni chimiche, alla gestione automatica degli impianti di climatizzazione. I più utilizzati sono: termoresistenze termistori termocoppie trasduttori integrati

13 Termoresistenze Le RTD (Resistance Temperature Detector) sono conduttori metallici in cui la caratteristica R(T) è nota e certificata nei metalli il flusso elettronico di corrente è ostacolato dalla agitazione termica degli atomi del reticolo la resistività aumenta con la temperatura. Nellambito di una zona di lavoro sufficiente piccola la resistività risulta essere direttamente proporzionale alla temperatura: R(T)=R 0 (1+ T) α è: molto piccolo ( °C -1 ) S=dR/dT=R 0 ridotta non costante non linearità R 0 = valore di R a 0°C T= temperatura =coefficiente termico [°C -1 ]

14 Termoresistenze MATERIALI: gli RTD sono progettati in modo da: presentare un valore di resistenza il più elevato possibile (elevata resistività) devono sopportare elevate temperature avere α il più costante possibile Cu, Ni e soprattutto Pt ( mediamente, un cavo di Pt da 100Ω manifesta una variazione di resistenza (intorno a 0°C) pari a 0,385W per grado centigrado )

15 Termoresistenze CARATTERISTICHE: range abbastanza elevato: (-200, 800)°C buona precisione e stabilità a lungo termine sensibilità ridotta forti amplificazioni ( è consigliabile il ricorso ad una struttura resistiva a ponte di Wheatstone per aumentare la sensibilità della misura ) non linearità circuiti di linearizzazione per escursioni termiche elevate scelta di compromesso nel dimensionare la corrente di alimentazione del RTD ( non troppo grande per evitare di innescare un elevato autoriscaldamento per effetto Joule, e nemmeno troppo piccola per ovvie esigenze di misura ).

16 Termistori I termistori sfruttano la dipendenza dalla temperatura della resistività dei materiali semiconduttori e si suddividono in: PTC (Positive Temperature Coefficient) NTC (Negative Temperature Coefficient) CARATTERISTICHE: elevata sensibilità ( no connessione a 4 fili) maggiore fragilità ( no impiego in ambienti estremi)

17 Termistori PTC vengono realizzati con semiconduttori fortemente drogati n la dipendenza della resistività della temperatura ha un andamento simile a quello dei metalli, ma con una sensibilità molto più elevata: valida per T S T T F T S (temperatura di Curie o switching temperature) è la temperatura a cui R TS =2*R 25

18 Termistori NTC vengono realizzati con semiconduttori puri (miscele di ossidi di Ni, Mn, Cr, Co), sfruttando laumento di conducibilità con la temperatura, legata alla maggiore produzione di coppie elettrone/lacuna: valida in ampio intervallo di temperature

19 Termocoppie sono trasduttori analogici diretti, impiegati soprattutto per la misura di temperature elevate (range: [ ] °C) le termocoppie sono costituite da due lamine di differente materiale conduttore, saldate ad una estremità = coefficiente di Seebeck [ V/°C] non è contante non linearità il funzionamento si basa sulleffetto Seebeck-Peltier: ai capi di una giunzione formata da due metalli si genera una ddp (è un effetto simile a quanto avviene in una giunzione pn):

20 Termocoppie tipoelemento +elemento -range (°C) sens. ( V/°C) T ramecostantana ,5 E cromocostantana ,9 J ferrocostantana ,6 K cromoalumel ,8 R Pt (13% Rh)platino ,0 S Pt (10% Rh)platino ,6

21 Termocoppie linserzione di un voltmetro a chiusura del circuito (disposizione ad UN GIUNTO) introduce inevitabilmente almeno unaltra giunzione indesiderata (della quale si ignora la temperatura) il cui potenziale di contatto si sovrappone al soggetto della misura. Denominando J1 la termocoppia primaria e J2 la giunzione parassita, la tensione V mis rilevata dal voltmetro sarà: V mis =V 1 - V 2 caso con 2 giunzioni parassite problema: fattibilità della misura del potenziale di Seebeck! termocoppia primaria (T) giunzione parassita

22 Termocoppie disposizione a DUE GIUNTI - è possibile aggirare il problema costituito dalla temperatura sconosciuta T J2 (temperatura del giunto freddo), imponendo un valore di riferimento ben determinato, quale può essere per esempio 0 °C: il giunto freddo è una termocoppia dello stesso tipo di J C che viene tenuto ad una temperatura costante e lontano da J C V 1 e V 2 si compensano a qualsiasi temperatura V=V C -V F = (T C -T F ) se J F è immerso nel ghiaccio fuso V= T C

23 Termocoppie disposizione con BLOCCO ISOTERMICO: R T è una termoresistenza (con coeff. termico analogo a J F ), calibrata in modo tale che la tensione di sbilanciamento del ponte V S compensi le variazioni di tensione del giunto freddo V 1 e V 2 si compensano a qualsiasi temperatura circuiti di compensazione integrati (es: AD594) contengono il blocco isotermico ed inoltre circuiti di linearizzazione ed amplificazione

24 Trasduttori di temperatura integrati sono IC che contengono al loro interno: elemento sensibile alla temperatura (giunzione PN) circuito di condizionamento (amplificazione, linearizzazione, pilotaggio delluscita in tensione/corrente,…) esempi: AD590 LM335

25

26 AD590 I=k*T Poiché luscita è in corrente, è preferibile optare per il C.I. AD590 qualora si rendano indispensabili connessioni molto lunghe:

27 Per la misura statica della forza agente su di un corpo si sfruttano la proprietà elastiche dei conduttori metallici leffetto dello stress (sollecitazione meccanica, definita come forza per unità di superficie) applicato ad un corpo elastico è lo strain (deformazione relativa), e quindi, indirettamente, una alterazione delle proprietà elettriche (resistenza) del corpo stesso. TRASDUTTORI DI FORZA es: cilindretto metallico di lunghezza l, caratterizzato da resistività ρ, sottoposto longitudinalmente ad una forza F applicata ad una sua sezione S

28 Trasduttori Estensimetrici Gli estensimetri (strain-gauge) variano la loro resistenza R in funzione della deformazione meccanica a cui sono sottoposti: la geometria a spire ripiegate aumenta la sensibilità del trasduttore estensimetri a metallo a filoa strato a semiconduttor e

29 Trasduttori Estensimetrici FdT degli estensimetri variazione relativa di resistenza rispetto al valore a riposo R 0 variazione relativa di lunghezza rispetto al valore a riposo l 0 Gauge Factor (GF)

30 Trasduttori Estensimetrici Condizionamento degli estensimetri i gauges (normalmente nella configurazione a ponte intero) vengono impiegati anche per realizzare celle di carico e trasduttori di pressione

31 Trasduttori Estensimetrici problema 1 - variazione (indesiderata) di resistenza dovuta alle variazioni di temperatura se ne bilanciano gli effetti con linserimento nel ponte di misura di una dummy gage non esposta a deformazione ma termicamente accoppiata con la gage di trasduzione (active gage) problema 2 - nelle applicazioni pratiche, la gauge è spesso collocata lontano dal ponte, per cui è necessario fare ricorso ai cavi di collegamento, di resistenza piccola, ma sicuramente confrontabile con ΔR in sede di cablaggio sarà opportuno prestare attenzione nel mantenere il bilanciamento del ponte

32 TRASDUTTORI DI POSIZIONE E VELOCITA Il problema di misura della posizione di un corpo (massa) soggetto allazione di una forza è tipico dei SdC delegati alla gestione di processi meccanici (per es.: robots, plotters, testine dei disk-drivers, ecc.). in questi casi interessa la trasduzione in grandezza elettrica di una posizione lineare (spostamenti rettilinei), di una posizione angolare (asse in rotazione) e/o delle relative velocità di spostamento Le principali tipologie di trasduttori di posizione e velocità sono: potenziometri encoder trasformatori differenziali syncro resolver dinamo tachimetriche trasduttori ad effetto Hall

33 Potenziometri E possibile trasdurre una posizione lungo un filo (o una sbarretta) di materiale conduttore semplicemente rilevando la resistenza del tratto di conduttore compreso fra il riferimento (una delle estremità) e il posizionamento attuale; la legge matematica che descrive questa procedura è lineare e molto semplice:

34 Potenziometri se R L = V O =(V CC /L)L X (FdT lineare) Condizionamento dei trasduttori potenziometrici

35 Potenziometri Problemi dei trasduttori potenziometrici inerzia, attriti (statici, dinamici), auto riscaldamento originato dallinevitabile effetto joule dovuto al passaggio di corrente; linearita dipende sia dalle caratteristiche intrinseche del potenziometro (raffinatezza del procedimento tecnologico di deposizione dello strato resistivo) sia dal contesto circuitale (effetto di carico) a valle del trasduttore stesso; quantizzazione tipica dei potenziometri a filo; caratteristiche AC da imputare ai componenti parassiti fra i quali spicca linduttanza (soprattutto nei potenziometri a filo);

36 Trasformatori Differenziali LVDT Il LVDT (Linear Variable Differential Transformer) è un trasformatore a nucleo mobile che codifica la posizione in ingresso nella ampiezza del segnale alternato di uscita se il nucleo ferromagnetico occupa la posizione centrale del trasformatore, i coefficienti di accoppiamento P-S1 e P-S2 risultano identici il flusso concatenato da S1 è identico a quello concatenato da S2 VS1= -VS2 la tensione ai capi della serie dei due secondari è nulla (V out =0V). se il nucleo viene spostato rispetto alla posizione di zero, le due tensioni di secondario, sempre in controfase, avranno ampiezze differenti e daranno origine ad una sommatoria diversa da zero avente ampiezza proporzionale allo spostamento (V out 0V).

37 Trasformatori Differenziali LVDT

38 Trasduttori ad effetto Hall Sono trasduttori a semiconduttore utilizzati per rilevare se un oggetto si trova in una particolare posizione (sensori di prossimità) Effetto HALL Forza di Lorentz Tensione Hall R H = coeff. di Hall (dipende dal tipo di drogaggio) B= induzione magnetica I=corrente nel semiconduttore s=spessore della barra di semiconduttore

39 Trasduttori ad effetto Hall I trasduttori ad effetto Hall rilevano la presenza o la variazione di un campo magnetico: il campo magnetico è generato da un magnete solidale con loggetto di cui si vuole rilevare la presenza quando loggetto si avvicina al sensore si registra un aumento sensibile di V H il campo magnetico è generato da un circuito solidale col sensore un oggetto ferroso che si avvicina al sensore provoca un aumento sensibile di V H trasduttori ad effetto Hall integrati (comprendono circuiti di alimentazione e condizionamento): lineari – V H aumenta in modo proporzionale allintensità del campo magnetico on/off – uscita a due livelli (0/5V)

40 Encoder Ottici Gli encoder ottici sono dei trasduttori rotativi di posizione e velocità angolare

41 Encoder Ottici Il cuore dellencoder è costituito da un disco calettato allasse di rotazione su cui sono serigrafate alternativamente delle zone opache/trasparenti, corrispondenti alla codifica binaria 0/1: tale marcatura viene letta da un sensore costituito da un trasmettitore (LED IR) e un ricevitore (FOTOTRANSISTOR IR) il segnale di uscita è unonda quadra avente frequenza direttamente proporzionale alla velocità angolare di rotazione dellasse.

42 Encoder Incrementale lencoder incrementale dispone di TRE uscite: due uscite forniscono altrettante onde quadre IN QUADRATURA fra loro al fine di poter ricavare il VERSO DI ROTAZIONE (cosa impossibile se luscita fosse unica); la terza uscita fornisce un singolo impulso rettangolare in corrispondenza della posizione angolare di ZERO (riferimento);

43 Encoder Assoluto sul disco è incisa una codifica binaria (codice Gray) che permette di identificare in modo univoco ciascun settore circolare; molteplici fotorivelatori radiali (uno per ciascun bitdi codifica) forniranno in uscita una word (formato parallelo) che corrisponde univocamente alla posizione attuale dellasse

44 TRASDUTTORI OTTICI vengono impiegati per rilevare la presenza/assenza di luce o per misurarne lintensità possibili applicazioni: fotorilevatori, interruttori crepuscolari, domotica, rilevatore di segnale su fibre ottiche,….

45 Fotoresistenze sono elementi a semiconduttore (CdS, PbS) in cui la radiazione incidente produce coppie elettrone/lacuna, facendo diminuire la resistività del materiale Requisiti: ampia superficie di esposizione ( sensibilità) bassa distanza dagli elettrodi (i portatori devono raggiungerli prima di ricombinarsi) geometria a pettine

46 Fotoresistenze logR(L)=logR(1)-α·logL R(L)=R(1)·L - α PRESTAZIONI elevata sensibilità robuste ed economiche elevata potenza dissipabile (0,2W fino a ~ 50°C) scarsa velocità

47 Fotodiodi sono diodi che lavorano in polarizzazione inversa la radiazione incidente produce delle coppie elettrone/lacuna nella regione di svuotamento; tali portatori si comportano da portatori minoritari e vengono accelerati ai bordi della giunzione leffetto si somma alla corrente di saturazione inversa CARATTERISTICHE sensibili veloci (fino a 1MHz e oltre) usati come rilevatori in sistemi di tx dati su fibra ottica

48 Fototransistor sono BJT col circuito di base aperto la radiazione incide nella giunzione di collettore: le cariche generate si comportano da portatori minoritari e vengono accelerate fino ad attraversare la base e poi la giunzione di emettitore leffetto di amplificazione del transistor permette di ottenere sensibilità elevate è possibile comandare direttamente dispositivi logici (in particolare se il comando è costituito da sorgenti concentrate e vicine)


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