Le Misure Industriali Sistemi di Produzione

conoscenza del processo da controllare Catena di misura classica Misure Industriali conoscenza del processo da controllare Catena di misura classica Sensore Trasduttore Condizionatore amplificatore, attenuatore, filtro per la segnalazione della banda utile del segnale, alimentatore, ponte di bilanciamento, linearizzazione di un segnale non lineare un output si ha un segnale elettrico normalizzato Cavo di trasmissione Convertitore Computer Caratteristiche tecniche di un sistema di acquisizione Nella sua essenzialità un sistema di acquisizione dati è costituito da una parte di ingresso, comunemente denominata front-end, cui sono connessi i segnali analogici provenienti dai sensori che convertono in grandezze elettriche i parametri fisici del fenomeno di interesse, dal blocco di conversione, che provvede alla codifica digitale degli ingressi stessi, e dalla parte che assolve alla funzione di trasferire e memorizzare i dati convertiti. In aggiunta sono spesso incluse funzioni ausiliarie, necessarie per eseguire azioni specifiche per influenzare l’evoluzione del processo o per interfacciare altri strumenti e componenti presenti nel sistema. Nei paragrafi che seguono si descriveranno sommariamente le peculiarità di ciascuna di queste parti funzionali. Front-end La maggioranza dei segnali di ingresso non sono direttamente trasferibili al convertitore, dovendo essere preliminarmente amplificati, o attenuati, o comunque modificati prima di poter essere convertiti. L’insieme di queste operazioni che preparano il segnale per la conversione è usualmente definito come processo di condizionamento, che nella stragrande maggioranza dei casi si limita appunto all’amplificazione o all’attenuazione dell’ingresso. E’ questa funzione di condizionamento che è assolta dal blocco di front-end. L’uso ottimale del convertitore si ottiene quando il suo fondo scala coincide con la massima variazione dell’ingresso. In generale i sistemi di acquisizione possono essere dotati di una singola dinamica fissa, oppure selezionabile tramite interruttori o jumper, o in alternativa selezionabile via software. In casi particolari, tuttavia, il condizionamento del segnale implica operazioni più complesse, come ad esempio la linearizzazione del segnale proveniente da un sensore non lineare, o la cosiddetta compensazione del giunto freddo in caso di misure termiche con termocoppie. E’ da segnalare, inoltre, che nel front end trovano posto i multiplexers utilizzati nei casi in cui si adopera un solo convertitore per codificare più segnali di ingresso, ed i filtri necessari per selezionare la banda utile del segnale. Particolare cura deve essere adottata nello scegliere la configurazione degli ingressi, che può essere sbilanciata (single ended) o differenziale. Quest’ultima, sebbene più complessa e costosa, è però contraddistinta dall’indubbio vantaggio di offrire un’immunità al rumore decisamente maggiore. E’ ben noto, infatti, che i cosiddetti disturbi di modo comune, presenti su entrambe le linee del sistema a due fili su cui è trasportato il segnale, vengono in questo caso attenuati notevolmente di una quantità pari al rapporto di reiezione di modo comune dell’amplificatore usato nello stadio di ingresso. Questa peculiarità è particolarmente importante nei sistemi in cui i dati, provenendo da diversi dispositivi localizzati a varie distanze dall’ingresso, sono particolarmente sensibili all’effetto di disturbi e rumori di diversa natura, entità ed origine. E’ da sottolineare, infine, che l’integrità del segnale e la protezione del sistema di acquisizione richiedono l’appropriato isolamento degli ingressi. Infatti l’isolamento previene possibili guasti del sistema indotti da sovratensioni accidentali, e viceversa salvaguarda apparati particolarmente delicati e sensibili connessi al sistema stesso. In più l’isolamento, prevenendo i cosiddetti anelli di massa e quindi eliminando i disturbi ad essi associati, costituisce una precauzione utile ai fini di minimizzare fonti di disturbo che possono indurre errori nella misura.

Sensori di misura integrati Integrazione del sensore di misura con il circuito di condizionamento Possibilità permessa dai sensori al silicio Vantaggi: ottimizzazione dell’interazione sensore-circuito eliminazione di adattamenti e tarature compensazione di non linearità riduzione dei costi di montaggio Verso i sensori integrati Il concetto di "sensore integrato" non è nuovo nel panorama elettronico, e costituisce per molte applicazioni un obiettivo importante che taluni costruttori stanno perseguendo da alcuni anni. L'idea è infatti quella di integrare, accanto alla circuitazione di condizionamento del segnale, anche lo stesso sensore, con il vantaggio di conoscere il tipo di sensore, ottimizzare già in fase costruttiva il tipo di interazione sensore-circuito, eliminare la necessità di adattamenti e tarature, compensare "alla fonte" le non-linearità e le derive termiche e garantire un'adeguata linearità a precisione, semplificando nel contempo il cablaggio del tutto e riducendo i costi di montaggio. Tutto ciò è possibile - beninteso - quanto non vi siano problemi nel porre il circuito elettronico di trattamento del segnale direttamente nell'ambiente ove risiede la grandezza da monitorizzare, ma molte sono le applicazioni in cui ciò non solo è possibile, ma addirittura auspicabile. Si pensi ad esempio al monitoraggio della temperatura nei cronotermostati domestici, nei termometri digitali, negli orologi "tuttofare", nei circuiti di controllo delle batterie ricaricabili (ormai integrati al loro interno!), nei controller dei circuiti di alimentazione, negli apparati domestici e consumer. Oppure nei misuratori di pressione degli orologi tuttofare, nei contapassi, nei barometri-altimetri digitali, nelle bilance elettroniche, nell'automobilistica, eccetera. O ancora nei sensori magnetici Hall del controllo motori, dei sensori di prossimità e di velocità, dei circuiti ABS, degli elementi di controllo dell'apertura delle valvole e di posizione degli iniettori nell'automobilistica, solo per citarne alcuni. La produzione attuale Oggi i sensori integrati sono principalmente quelli di temperatura, di pressione, di accelerazione, magnetici e ottici. Fra i vari produttori di sensori integrati vi è ad esempio Analog Devices, che ha a catalogo alcuni tipi di sensori integrati di temperatura, di accelerazione e magnetici: fra i primi segnaliamo a titolo di esempio il TMP12, un sensore di temperatura e di flusso d'aria progettato per essere inserito nel flusso d'aria generato da componenti che dissipano calore e che necessitano di un raffreddamento tramite ventola e quindi di un controllo in temperatura. Osservando il suo schema a blocchi (Fig. 2), si vede che i due comparatori interni effettuano un confronto fra due set-point esterni (impostati dall'utente) ed una tensione derivata dal sensore di temperatura interno, che fornisce un'uscita linearizzata di 5mV/°C. E' altresì presente un resistore di precisione integrato, utilizzabile per innalzare la temperatura del chip di un valore predeterminato, in modo da rilevare l'efficienza del flusso d'aria di raffreddamento, oppure l'eventuale blocco della ventola. Un altro sensore termico integrato è costituito dal TMP04, un termometro digitale a 3-pin con uscita seriale che presenta un'accuratezza di ±1.5°C da -25°C a +100°C. Esso è un vero e proprio "sistema di misura della temperatura", ed integra un sensore termico la cui uscita viene digitalizzata tramite un modulatore sigma-delta (Fig.3) con un'accuratezza di 12 bit; l'uscita è costituita da un segnale modulato in funzione della temperatura. Un sensore di accelerazione integrato è ad esempio il chip monolitico ADXL50 (Fig.4) di Analog Devices, che basandosi su di una tecnica a deformazione di tipo capacitivo consente una misura delle accelerazioni fino a 50g, fornendo un'uscita analogica. E' fra l'altro disponibile una funzione di self-test su comando esterno, che provvede a deflettere elettrostaticamente l'elemento sensore per verificarne la funzionalità. Un ulteriore esempio di sensore integrato è dato dall'AD22151, un trasduttore di campo magnetico con offset aggiustabile per operare in modalità unipolare oppure bipolare. Integra il sensore Hall accanto ad una circuitazione per la correzione delle derive termiche e per la regolazione del guadagno (Fig.5). Un'altra categoria ben rappresentata di sensori "integrati" è costituita dai sensori di pressione, di cui ad esempio Motorola possiede un'ampia gamma a catalogo, nella serie MPX (Fig.6). Si tratta di sensori monolitici che sfruttano una tecnica piezoresistiva con un elemento a semiconduttore ottenuto per attacco acido selettivo, ed integrano una rete bipolare per l'amplificazione e linearizzazione del segnale, oltre a resistori a film sottile per la compensazione termica. Il range coperto va dai 10 ai 700 Kpa, e sono disponibili versioni assolute e differenziali, con uscita in tensione ed accuratezza dello 0.2%FS. Fra i sensori luminosi integrati, costituiscono un buon esempio i dispositivi monolitici della serie OPT di Burr-Brown, che integrano un fotodiodo, un operazionale a FET ed una rete compensata di retroazione. Altri sensori ottici sono i vari tipi di CCD (Charge Coupled Devices) oggi largamente utilizzati per fotocamere digitali, videocamere, fotocopiatrici, scanner, eccetera. Dagli esempi appena visti si può facilmente dedurre che la gamma di sensori integrati si va progressivamente ampliando, in vista di applicazioni sempre più "pervasive" in ogni settore dove la miniaturizzazione diviene l'elemento predominante. In questo ambito molti OEM si vanno affidando a Società specializzate in sensori di tipo custom, in grado di soddisfare anche esigenze del tutto particolari in settori non coperti dai prodotti di tipo standard e orientati ai settori consumer, industriale, della strumentazione

trasmette e riceve dati Sensori smart trasmette e riceve dati prende una decisione in funzione del valore di un segnale misurato auto-calibra l’elemento sensibile gestisce la diagnostica dei malfunzionamenti con il suo utilizzo diminuisce dell’importanza della rete di comunicazione l’interfaccia si rivolge al controllo remoto dei sensori intelligenti attraverso la connessione standard 10 Base T. In parole povere, a prescindere dai lavori di normalizzazione in atto, un sensore intelligente, o smart, lo si può definire tale, quando risponde a tre requisiti fondamentali: • deve essere in grado di prendere una decisione in funzione del valore di un segnale misurato, • può essere programmato per prendere un certo numero di decisioni, • è in grado di trasmettere e ricevere dati. Una caratteristica imprescindibile è quindi quella di saper agire autonomamente e direttamente nel luogo dove rivela il segnale sotto osservazione, sapendo selezionare le informazioni utili da quelle false sapendo prendere la migliore decisione possibile in base alle informazioni rilevate. Oltre a ciò, un sensore intelligente deve anche saper auto-calibrare l’elemento sensibile, nonché diagnosticarne i malfunzionamenti in caso di necessità, in modo da rendere minimo il ricorso a processori esterni di sostegno. Operando in loco diminuisce l’importanza della rete di comunicazione, come avviene nei sistemi attuali, per il trasporto dei segnali e norme dettate dal nuovo standard internazionale. L’interfaccia, in pratica, si rivolge al controllo remoto dei sensori intelligenti attraverso la connessione standard 10 Base T. È facile prevedere che interfacce di questo genere cominceranno a diffondersi a macchia d’olio sul mercato, man mano che il nuovo standard saprà farsi apprezzare dai progettisti di sistemi.

Termocoppia Vi=K(Tc-Tf) (Tc - T1) + (T1 - Tf) = Tc - Tf Effetto Seebeck Condizionamenti del segnale riguardano: Compensazione Linearizzazione

Gestione del punto freddo Giunto immerso nel ghiaccio Gestione hardware: ponte di Wheatstone

Schema di pirometro a radiazione a irraggiamento monocromatico

Altri misuratori di temperatura Termoresistenze Termistori Pirometro a irraggiamento totale

Sensori di pressione Esistono diverse tecnologie: ad estensimetro elettrici ceramici a film piezoresistiva: ponte di Wheatstone su un chip di silicio trasduttori capacitivi Si distingue tra trasduttori e trasmettitori di pressione opzionalmente sono dotati di membrane di separazione per consentire la misurazione in contesti aggressivi, con alte temperature o con sostanze cristallizzanti Il diaframma esposto al fluido in misura è realizzato in acciaio AISI316, materiale in grado di soddisfare la gran parte dei requisiti applicativi, nei termini di compatibilità con il fluido in misura. Questo primo diaframma di isolamento, viene messo in comunicazione con un'ulteriore diaframma sensibile (tramite riempimento con olio siliconico), posizionato al centro della sezione dell'unità; la deflessione compiuta dal diaframma sensibile (sotto l'azione della pressione in misura), viene rilevata capacitivamente grazie ad una seconda armatura fissa. La capacità differenziale così rilevata, viene quindi opportunamente amplificata e condizionata da un'elettronica a bordo del sensore, la cui risposta (segnale) è caratterizzata da elevati livelli di ripetibilità e stabilità sul lungo termine.

Sensori di forza Esistono diverse tecnologie: estensimetrici piezoelettrci Cenni costruttivi Una struttura metallica in acciaio inossidabile opportunamente dimensionata e specializzata per il rilievo di sollecitazioni meccaniche in compressione, viene opportunamente equipaggiata con una configurazione di strain gauges sensibili (estensimetri) configurati a ponte di Weathstone intero, onde fornire una variazione elettrica (segnale di trasduzione) estemamente fedele e proporzionale alla sollecitazione che l'ha causata. In considerazione delle dimensioni particolarmente contenute, la termocompensazione della cella di carico 10244 è stata effettuata su una minuscola basetta elettronica integrata nel cavo di connessione

Sensori di posizione Consentono anche la misura di velocità

Sensori di posizione

Misure di velocità Dinamo tachimetrica F.e.m.=n* flusso Ruota ad impulsi ricorrere ai sensori di posizione F.e.m.=n* flusso n=f/z

Misure di portata Sensore di flusso a turbina

Sensore di portata a turbina

Misure di portata Sensore per portate basse

Misura di portata Portata di solidi Q=P*V

Sensori di spostamento Sfruttano la generazione di correnti parassite Il principio di misura basato sulle correnti parassite occupa una posizione speciale nel gruppo dei metodi di misura induttiva. Il principio è basato sulla perdita di energia del circuito oscillatore causato dalla generazione di correnti parassite in un target elettricamente conduttivo. In pratica una bobina interna al sensore viene percorsa da una corrente alternata ad alta frequenza; quando al sensore viene avvicinato un target metallico, si generano in esso per induzione magnetica delle correnti, dette parassite o di Foucault, che opponendosi al campo magnetico primario, provocano una variazione di impedenza e quindi un segnale funzione della distanza tra sensore e target. Questo principio di misura richiede sensori con una frequenza molto stabile di 1 o 2 MHz e bobina priva di ferrite, una demodulazione e una speciale linearizzazione del segnale di misura. Altro aspetto importante e quindi molto critico per il sistema è la forte influenza della temperatura sul segnale di misura. A questo riguardo i sistemi Micro-Epsilon multi-NCDT prevedono una speciale compensazione in temperatura per ottenere un'eccellente stabilità. Vantaggi : utilizzabile con tutti i target metallici elettricamente conduttivi, sia ferromagnetici che non ferromagnetici - dimensioni estremamente ridotte dei sensori - insensibilità alla polvere, umidità, olio o materiale dielettrico nell’intervallo di misura - affidabilità delle misure, anche in presenza di interferenze di campi elettromagnetici - ampio intervallo operativo di temperatura - elevata precisione Punti da ricordare : il segnale di uscita e la linearità dipendono dalle caratteristiche elettriche e magnetiche dell’oggetto in prova - richiede una taratura e linearizzazione individuale - la lunghezza massima del cavo del sensore è circa 12 a 18 metri a causa dell’elevata frequenza dell’oscillatore - il diametro del sensore aumenta con la distanza da misurare

Sensori di livello

Sensori di livello