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Trasduttori e il condizionamento dei loro segnali (intro-cosa sono?)

elettrotecnica


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Trasduttori e il condizionamento dei loro segnali (intro-cosa sono?)

Trasduttori e il condizionamento dei loro segnali (intro-cosa sono?)

-          Trasduttori primari

o        (sensori di temperatura, fotoelettrici, estensimetrici, di campo magnetico, elettrochimico, (alcuni) di posizione)

-          Trasduttori secondari

o        (trasduttori di forza, acceleraz., pressione, basati su trasd. Estensimetrici, trasd. Di posizione basati su sens. Fotoelettrici, di campo. Magn., sens. Di velocità)



-          Segnali standard (ecco xkè condizionarli) secondo le norme ANSI e DIN

-          Segnale in corrente : da 0 a 20mA     oppure da    4 a 20mA

-          Segnale in tensione: da 0 a 5v            oppure da    0 a 10V

-          Terminologia : trasduttore e sensore "equivalenti" (sensore mette l'accento sulla componente sensibile, trasduttore sul circuito nel comp 515h71f lesso in grado di tradurre il segnale)

-          Parametri caratteristici dei trasduttori :

-          In condizioni quasi statiche (per variazioni di ingresso lente rispetto al tempo di risposta del trasd. Stesso) la relazione tra ingresso I e uscita O(i) è rappresentabile da una curva detta transcaratteristica.

-          Transcaratteristica monotonica. (cioè invertibile) almeno nel range considerato.

-          Range di ingresso (o portata) definisce i limiti entro cui può variare l'ingresso.

-          Sensibilità : rapporto tra variazione dell'uscita e quella dell'ingresso che l'ha determinata. .  in generale la sensibilità non è costante per tutto il range di ingresso : lo diventa se il trasduttore è lineare (cioè se la sua transcaratteristica è una retta)

-          Linearità : è una qualità altamente apprezzabile : la sensibilità del trasduttore è costante (quindi precisa per tutta la scala) e con due soli punti si può individuare completamente la sua transcaratteristica. Inoltre, ovviamente diventa immediato la ricostruzione del valore di ingresso partendo dal valore in uscita. La maggior parte dei trasduttori è progettata per presentare una transc. Lineare, ove questo non è possibile è necessario prevedere opportuni circuiti di linearizzazione.

-          L'errore risultante nel considerare lineare un trasduttore che non lo è si chiama errore di non linearità. E' espresso come scostamento massimo dalla retta ideale, eventualmente rappresentato come percentuale del fondo scala (cioè del massimo ingresso misurabile). Di solito l'errore massimo indicato da costruttore del trasdutt. È proprio l'E. di N.L.

-          Errore di offset : indica l'errore nell'intersezione del i=0 della transcaratteristica= : si può risolvere agendo sull'offset del circuito di condizionamento.

-          Errore di guadagno: indica l'errore di pendenza della curva della transcaratteristica= : si può risolvere agendo sul guadagno del circuito di condizionamento.

-          Ripetibilità: la costanza nel tempo delle caratteristiche del trasduttore ovvero la sua resistenza all'invecchiamento.

-          Risoluzione: indica il limite inferiore alle variazioni rilevabili in ingresso. Può essere espresso come  dove Delta I Min è la variazione minima di ingresso rilevabile oppure in funzione del rumore può essere espressa come rapporto tra  Segn/Rum(o)

-          Caratteristica dinamica : tempo di risposta. Il tempo necessario all'uscita per passare dal 10 al 90% del valore su cui l'uscita si stabilizza. Per trasduttori con uscita in tensione o corrente, un'altra caratteristica dinamica è l'impedenza in uscita.

Trasduttori di temperatura.

Termoresistenze :

-                      Termoresistenze : basate su conduttore metallico : la resistenza cresce al crescere della temperatura. (hanno coefficiente di temperatura positivo.). La dipendenza tra resistenza e temperatura è :  dove R(0) è la resistenza a 0 C°, T la temperatura in C°, un coefficiente positivo misurato in C° -1 .  La sensibilità è definita da : .

-                      Caratteristiche delle termoresistenze : usati il rame, il nichel e soprattutto il platino. Buona precisione e stabilità, ampio range di ingresso (-10 / +600 c°), ottime caratteristiche di linearità. Difetto : Bassa sensibilità per cui sono necessarie forti amplificazioni, problemi di riscaldamento (effetto joule) che determinato un decadimento della precisione.

-                      Condizionamento del segnale: Per risolvere il problema di errore di offset si utilizza una variante del ponte di Weathstone : il ponte resistivo linearizzato.

Resistori NTC e PTC :

-                      Resistori NTC o termistori.  Si possono realizzare con materiali semiconduttori unipolari. La conduttività di un semiconduttore puro ha coefficiente negativo (resistori NTC = Negative Temperature Coefficient). Quindi al crescere della temperatura diminuisce la resistenza. Il rapporto resistenza/temperatura di un termistore è :  dove T è la temperatura assoluta in K, To una temperatura assoluta di riferimento (solitam. 298K) e B una costante in K.

-                      Caratteristiche dei termistori: Sono molto sensibili (presentano un'alta variazione di resistenza per unità di temperatura). Difetto : La loro caratteristica R(T) è pesantemente non lineare se non su intervalli di temperatura molto piccoli. Vengono quindi utilizzati per applicazioni dove la linearità non è molto importante (come in controlli di temperatura) e per misure di range ristretti (termometria clinica poiché il range utile è qualche decina di gradi).

-                      Resistori PTC.  

-                      Semiconduttori fortemente drogati possono presentare un coefficiente di variazione positivo (come quello delle termoresistenze). E' così possibile realizzare resistori PTC che hanno

-                      Caratteristiche dei resistori PCT : una sensibilità maggiore rispetto alle termoresistenze metalliche, ma non meno lineari. (es. KTY10 della Infineon lavora tra i -50 e i 150 c°)

Sensori di temperatura a giunzione semiconduttriche

-                      Se in una giunzione PN polarizzata direttamente la corrente è mantenuta costante, la diminuizione di tensione è lineare nella temperatura su un range molto ampio. In altre parole, in un diodo, fermi i presupposti precedenti, la tensione diminuisce in maniera lineare all'aumentare della temperatura. Il difetto sta nella scarsa riproducibilità poiché non essendo espressamente progettato come trasduttore, ogni esemplare deve avere una taratura specifica.

Sensori di temperatura integrati.

Possiedono al loro interno oltre il sensore anche il circuito di amplificazione e di condizionamento del segnale.

-                      AD590 : E' funzionalmente un bipolo che funziona come un generatore di corrente ad alta impedenza. La corretene è proporzionale alla temperatura assoluta : I = k * T   (T in gradi K).

-                      La constante di proporzionalità K ha valore nominale di . Quindi la corrente in  coincide numericamente, entro i limite di errore, con la temperatura in Kelvin.

Il funzionamento in corrente presenta il vantaggio di rendere il sistema di misura insensibile alle cadute di tensione, permette quindi di tenere il sensore lontano dall'apparato di misura,

Esempio AD590 :



Per tarare l'offset dell'AD590 consideriamo che a 0 °C l'AD590 eroga una corrente di 273mA poiché 0 °C corrispondono a 273 K. E' necessario quindi togliere la corrente Ir di 273mA dalla corrente Is generata dal sensore (basta farle convergere con versi opposti nel nodo di ingresso invertente dell'operazionale).

                                  

  (nel caso vogliamo in uscita una tensione da 0 a 10V per valori di temp. Da 0 a 100°C)

                

Trasduttori fotoelettrici

Trasformano le variazioni di intensità luminosa in grandezza elettrica e possono essere distinti in tre grandi gruppi :

  • Dispositivi fotoemissivi
    • Sono basati sull'effetto fotoelettrico propriamente detto : i quanti di luce colpiscono un catodo costituito da un metallo a basso lavoro di estrazione causando la ionizzazione di na certa percentuale degli atomi del metallo stesso. Gli elettroni liberati danno luogo ad una corrente proporzionale all'intensità luminosa incidente. A questo gruppo appartengono le cellule fotoelettriche (usante in passato per la lettura delle colonne sonore nei cinema) e i fotomoltiplicatori usati in dispositivi specialistici come ad esempio per misure fotometriche in astronomia o per rivelare radiazioni nucleari.
  • Celle Fotovoltaiche
    • Il loro funzionamento è basato sul fatto che esponendo una giunzione PN con gli estremi chiusi su un carico resistivo, in esso circola una corrente inversa. Le cellule fotovoltaiche basate su tale fenomeno raramente vengono usate come trasduttori, sono però utlizzate per la conversione diretta di energia solare in energia elettrica tramite batterie solari che arrivano a un rendimento di conversione di oltre il 10% (batterie al silicio)
  • Elementi fotoconduttori
    • Per lo stesso principio delle celle fotovoltaiche (illum. Giunzione PN), la conduttività di un materiale aumenta al crescere dell'intensità luminosa (in altre parole la resistenza diminuisce al crescere dell'intensità luminosa. Questo fatto è usato nei fotosensori di più larga applicazione :
    • Fotoresistenze. Sono dispositivi in cui l'informazione luminosa è tradotta in una variazione di resistenza. Sono costituite da materiale semiconduttore. Pregi : Sono robuste, economiche e hanno un'elevata sensibilità : la loro resistenza varia da oltre un 1MW in oscurità a poche decine di W a 1000 lux. Difetti: ha una limitatissima banda passante infatti una fotoresistenza può impiegare tempi nell'ordine del secondo per ritornare al valore di oscurita (preclude applicazioni "veloci").Il rapporto resistenza/Illuminam. Appare lineare in scala log-log. Quindi  (a costante positiva, e k resist. A 1 lux)

    •  Fotodiodi.  Il loro funzionamento è basato sul fatto che esponendo una giunzione PN   polarizzata inversamente, alla corrente tipica del diodo si somma una corrente IL > 0 che varia in maniera lineare con il flusso luminoso. Per tensioni inverse nell'ordine del volt la corrente nella giunzione è  I= - (IL + IO). I fotodiodi sono quindi diodi in cui la zona di giunzione è resa accessibile alla radiazione luminosa.Pregi : sono piuttosto sensibili anche se i bassi valori di corrente richiedono opportuni circuiti di condizionamento e sono abbastanza veloci (possono essere utilizzati nei sistemi di trasmissione in fibra ottica).

    • Fototransistor. Rappresentano un evoluzione dei fotodiodi. Sono essenzialmente dei transistor a giunzione (BJT) polarizzati normalmente, ma con il circuito di base aperto la cui giunzione BC (base-collettore) è esposta alla luce. In tale giunzione polarizzata inversamente si genera una corrente inversa analogamente a quanto avviene nei tofodiodi. La sensibilità è molto elevata, la risposta in frequenza è buona e il rumore è minore di quello presentato da un fotodiodo. L'alta sensibile consente al fototransistor di comandare direttamente dispositivi logici. Sono spesso utilizzati nei sensori di posizione (encoder).

Trasduttori Estensimetrici.

Sono basati sul fatto che un conduttore ohmico di lunghezza L e sezione S dove la resistenza è espressa in R= r   (dove r è la resistività del materiale W/m), sottoposto a trazione, L aumenta e S diminuisce ed entrambe le variazioni fisiche contribuiscono ad aumentare la resistenza. L'opposto si verifica se il conduttore viene compresso. Nei limiti delle deformazioni elastiche come espresse dalla legge di Hooke, le deformazioni sono proporzionali alle forze che li determinano. In un corpo cilindrico di sezione circolare, le variazioni di lunghezza L e raggio R della sezione sono legate dalla relazione.

 dove m è il coefficiente di poisson del materiale considerato e dr e dl sono variazioni differenziali di raggio e lunghezza : il segno meno indica che al crescere di R diminuisce L e viceversa.

Gli estensimetri a semiconduttore hanno sensibilità maggiori, ma costi più elevati. Un difetto molto grave degli estensimetri soprattutto a semiconduttore è che la loro resistenza varia anche con la temperature sia perché varia la resistività sia perché la stessa variazione di temperatura provoca deformazioni per dilatazione.

Per compensare le variazioni causate da temperatura è bene usarli in coppie montati a ponte, facendo un modo che uno solo sia soggetto a sollecitazione o che magari si deformino, ma in senso opposto.

E' possibile usare anche per gli estensimetri un ponte resistivo linearizzato come nelle termoresistenze, ma le variazioni percentuali di resistenza sono relativamente piccole e lo scostamento della linearità rimane piccolo anche utilizzando il più semplice ponte resistivo passivo (senza operazionale).

Celle di carico.

Sono tipicamente dei trasduttori di forza. In pratica sono costituiti da ponti estensimetrici montati in strutture di metallo con caratteristiche di elasticità note e calibrate. La deformazione elastica, misurata dagli estensimetri, permette di risalire alla forza che l'ha determinata. Le celle di carico differiscono per forma, campo di forze misurato e sensibilità. Ogni singolo esemplare è accompagnato da un certificato di taratura (fondo scala, sovraccarico ammissibile, alimentazione, sensib. Nominale, Err.non.linear., err.offset, etc.). Esistono celle di carico in cui sono montati due ponti (per un totale di quattro rami), dove di conseguenza la sensibilità è raddoppiata. Per elevate precisioni è necessario conoscere con esattezza la tensione di alimentazione del ponte estensimetrico che non coicide con la tensione dei alimentazione a monte dei cavi di connessione a causa della c.d.t. sui cavi stessi. Per questo motivo molte celle di carico dispongono di  una coppia di cavi (etich. Sense) che fanno capo di nodi di alimentazione del ponte.

Sensori di pressione.

Sono basati sul principio del barometro aneroide :  una camera sottovuoto è chiusa da una membrana flessibile. La membrana si flette a seconda della pressione che agisce sul lato esterno. La deformazione è rilevata dai dispositivi fissati sulla sua superficie. Nei modelli integrati la membrana è costituita da una piastrina di silicio su cui sono incastonate una o più celle estensimetriche a semiconduttore con disposizione solitamente a ponte.

Esistono anche sensori di pressione differenziali in cui la membrana separa due camere sottoposte a pressioni diverse, quindi il segnale in uscita è proporzionale in valore e in segno alla differenza fra le due pressioni.

Trasduttori di posizione.

  • Potenziometri : sono i trasduttori di posizione più semplici. I potenziometri utilizzati come sensori di posizione sono a variazione lineare. Esistono potenziometri ottimizzati per applicazioni ad elevata precisione e con attrito ridotto : solitamente hanno un campo di rotazione di 360° senza fine corsa. Oltre ai modelli rotativi esistono anche potenziometri in cui il movimento del cursore è rettilineo.
  • Trasformatori differenziali : Servono a rilevare piccoli spostamenti di solito non rettilinei. Contengono un nucleo mobile centrato rispetto ad un avvolgimento principale e due avvolgimenti secondari aventi uguali tensioni indotte, ma in controfasce in maniera da avere una tensione in uscita nulla. Quando il nucleo si sposta da parte di uno dei secondari la tensione indotta in esso prevale e l'uscita non è più nulla. L'ampiezza dell'uscita rende un'informazione sull'entità dello spostamento, mentre  la fase ci indica il verso dello spostamento.
  • Econder incrementale : E' un dispositivo che serve a rilevare gli spostamenti angolari (rotazioni) di un asse. Nella sua forma più semplice è costituito da un disco calettato sull'asse di rotazione su cui è praticata una ghiera di N fori equispaziati (in realtà possono essere delle zone trasparenti fotoincise). Una barriera fotoelettrica di solito costituita da una coppia LED/fototransistor rileva la presenza o meno dei fori nella ghiera (eventualm. La circuiterià del fototransistor può incorporare un trigger di schmitt per eliminare incertezze di commutazione). Se il disco ruota, in uscita al fotosensore si ha un treno di impulsi. Contando gli impulsi si è in grado di determinare l'angolo di cui il disco si è spostato. La risoluzione angolare è evidentemente data da 360/N. In questa forma l'encoder non è in grado di rilevare il verso della rotazione e il suo uso è limitato a misurare velocità di rotazione ottenuta contando gli impulsi su una base di tempo data. Se "f" è la frequenza del segnare generato, N il numero dei fori, "n" la velocità di rotazione espressa in giri/s si ha :. (se N è 60 la frequenza coincide con i giri al minuto). I vantaggi rispetto alla dinamo tachimetrica è che non si usura (stabile nel tempo) e non deve essere tarata e può essere utilizzato per elaborazioni di tipo digitale.
  • Encoder incrementale a due (o tre) fasi. Per poter risalire anche al verso di rotazione si deve utilizzare un encoder con due ghiere concentriche di settori trasparenti. Le due ghiere hanno lo stesso numero di settori, ma i settori sono sfasati di un angolo corrispondente a mezzo settore rispetto ai settori dell'altra. AD ognuna delle ghiere corrisponde un uscità con un treno di impulsi definito FaseA e FaseB (in alcuni modelli c'è un ulteriore FaseC utile perché la sua frequenza è in rapporto 1:1 con la velocità di rotazione n in giri/s). Se l'encoder ruota in senso orario viene rilevato il segnale di FaseA in anticipo di 90° sul segnale in FaseB, viceversa sarà il segnale FaseB ad essere in anticipo di 90° sul segnale di FaseA.

Esistono anche in commercio degli encoder assoluti che danno la posizione angolare di una asse (escludendo i multipli di 360°). Sono costituiti da 4 ghiere concentriche ciascuna con una risoluzione di 1/16 di angolo giro. Con tale encoder è possibile codificare 4 bit (da 0000 a 1111), e per evitare errori di codifica a causa del fatto che i 4 bit non vengono codificati contemporaneamente a causa dei tempi di rotazione dell'asse, viene utilizzato il codice grey che come ricordiamo consiste nel far variare solo un bit tra due configurazioni successive.



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