CLASSIFICAZIONE DEI TRASDUTTORI

-CLASSIFICAZIONE DEI TRASDUTTORI

Esistono diverse classificazioni dei trasduttori, ognuna delle quali è riferita a elementi particolari presi in considerazione, quali il tipo di segnale in uscita, il principio fisico di funzionamento, la natura della grandezza d'ingresso, ecc...

a) Una prima classificazione consiste sulla presenza o meno di una fonte di energia esterna necessaria al loro funzionamento; vengono distinti in:

trasduttori attivi: fo 838b18i rniscono in uscita una grandezza direttamente utilizzabile senza consumo di energia esterna. In taluni casi il trasduttore, o più propriamente il sensore, fornisce in uscita una grandezza elettrica che può essere manipolata dai circuiti di elaborazione.

trasduttori passivi: sono quei trasduttori ai quali bisogna fornire energia esterna perchè la grandezza fisica d'uscita possa essere trasformata in una grandezza elettrica.

b) Classificazione in base al tipo del segnale d'uscita

analogici: presentano una caratteristica di trasferimento costituita da una funzione continua: la grandezza d'uscita e quella d'ingresso variano con continuità assumendo tutti i valori appartenenti ad un sottoinsieme dei numeri reali.

digitali: presentano una caratteristica di trasferimento che può assumere solo due distinti valori: alto a cui si associa il livello logico "1", o basso a cui si associa il livello logico "0". Esempi di trasduttori digitali di temperatura sono la lamina bimetallica e il relè reed.

c) La classificazione più comune è quella in base alla grandezza fisica da rilevare. In base a tale classificazione, riferita alle grandezze fisiche, si hanno:

1. TRASDUTTORI DI POSIZIONE

Questi trasduttori sono in grado di misurare la posizione spaziale di un oggetto o di rilevarne lo spostamento.

1.1 ANALOGICI

L'inductosyn è un trasduttore di posizione di grande precisione utilizzato nel controllo numerico delle macchine utensili. Ha le caratteristiche e le specifiche di utilizzo del resolver, con la differenza che rileva gli spostamenti lineari, non quelli angolari.

Esso è costituito da una riga o scala e da un cursore (slider): consistono in supporti in materiale isolante rigido a basso coefficiente di dilatazione termica, sui quali sono riportati a intarsio due circuiti "a greca" di materiale conduttore.

La scala può essere lunga a piacimento, collegando in serie piu segmenti adiacenti; infatti essa porta un unico circuito stampato con passo di 2mm oppure di 0,1 pollici; il cursore invece porta due singoli avvolgimenti separati l'uno dall'altro di ¼ di passo.

La scala ed il cursore sono fissati a due parti in moto relativo di una macchina utensile, ad esempio un banco e una slitta, in modo che gli avvolgimenti siano affacciati, e in modo che fra i due elementi vi sia una piccolissima distanza (circa 0,2 mm) che deve rimanere costante, in modo che si abbia una buona concatenazione del flusso magnetico.

Nelle due greche del cursore si hanno due tensioni, diverse fra di loro e che variano continuamente; poiché le greche del cursore sono sfasate tra di loro di ¼ di passo le due tensioni lo saranno di 90o. La lettura contemporanea delle due tensioni consente di avere la posizione del cursore nell'ambito dell'intero passo. Unendo un inductosyn ad opportuni circuiti elettronici, con un circuito di passo uguale a 2 mm si possono avere risoluzioni di 2.5/3 mmm.

L'inductosyn è un trasduttore incrementale, nel senso che fornisce segnali uguali per spostamenti multipli di passo; per renderlo assoluto, occorre un altro trasduttore che venga utilizzato per una misura grossolana (ad esempio un potenziometro)

1.2 DIGITALI

ENCODER INCREMENTALE

L'encoder incrementale permette di rilevare velocità, spostamento angolare e il verso di rotazione di un albero. Il disco è costituito da una sola traccia. Ci sono tre barriere ottiche A, B e C. Le barriere ottiche A e B sono disposte una accanto all'altra ad una distanza D° (in gradi) = nP + (P/4).

Dove n= intero positivo; P= passo = 360° / n° divisioni in modo che i segnali generati siano sfasati di almeno ¼ di periodo. Il verso di rotazione si deduce osservando quale dei due segnali risulta in anticipo. La fase C fornisce un impulso ad ogni giri completo del disco.

Schema utilizzabile per la determinazione del verso di rotazione:

Il contatore riceve il segnale Va ed esegue il conteggio avanti od indietro a seconda dello stato di uscita del flip-flop FF. Il flip-flop commuta sul fronte di salita del clock costituito dal segnale Vb.

2. TRASDUTTORI DI VELOCITA'

Tachimetro in c.c. Detto anche dinamo tachimetrica è in sostanza una dinamo a magnete permanente con particolari caratteristiche elettromeccaniche, ovvero con basso momento d'inerzia ed elevata linearità di risposta. La tensione d'uscita è prelevata dal rotore attraverso un sistema di spazzole striscianti su un collettore ad anello. Essa non è pertanto perfettamente continua ma presenta una certa ondulazione che rende questo trasduttore non adatto per misurazioni di precisione. Si osservi comunque che la dinamo tachimetrica ha il vantaggio di fornire una tensione la cui polarità è indicativa della direzione di rotazione. Le applicazioni tipiche riguardano il controllo di velocità dei motori.

3. TRASDUTTORI DI FOSZA

I trasduttori di forza, noti anche come celle di carico , sono utilizzati sia nelle misure di forza vere e proprie sia per la determinazione della massa (pesatura). Generalmente questi trasduttori impiegano sensori che convertono la forza applicata in una deformazione o in una deflessione di un elemento elastico. Queste a loro volta, tramite un LVDT oppure un estensimetro o ancora un trasduttore piezoelettrico, producono un segnale elettrico di uscita. In genere per forze di piccola entità si utilizzano LVDT, per forze più grandi estensimetri e infine per forze di entità ancora maggiore trasduttori piezoelettrici.

Estensimetri. Gli estensimetri, noti anche come strain gage sono sensori in grado di convertire una deformazione in una variazione di resistenza elettrica. Essi possono essere metallici o a semiconduttore. Gli estensimetri metallici sono costituiti da una griglia di misura (vedi fig. a), incollata su un supporto di plastica sottile, all'estremità della quale vengono saldati due conduttori.

L'estensimetro viene applicato, mediante un collante adatto, direttamente sul corpo di cui si vuole misurare la deformazione in modo che questa venga trasmessa alla griglia che la trasforma in una variazione di resistenza elettrica. Il montaggio dell'estensimetro deve avvenire in modo che l'asse della griglia coincida con la direzione dello sforzo che si intende misurare. Il materiale del conduttore che costituisce la griglia può essere a sezione rettangolare per gli estensimetri a foglio o a sezione circolare per gli estensimetri a filo. Questi ultimi hanno il disegno della griglia sempre dello stesso tipo, sono molto robusti ma presentano, per la loro forma, una ridotta capacità di smaltimento del calore. Gli estensimetri a foglio, che sono prodotti con la tecnica della fotoincisione, possono invece assumere dimensioni e forme diverse. Ciò consente di realizzare estensimetri in grado di misurare sollecitazioni estremamente ridotte. Con questa tecnica è inoltre possibile realizzare i cosiddetti strain gage a rosetta, costituiti da più elementi disposti in modo da rilevare sollecitazioni provenienti da diverse angolazioni (vedi fig. b).

Gli estensimetri a semiconduttore hanno come elemento sensibile una griglia di materiale semiconduttore. La variazione di resistenza è ora prevalentemente attribuibile all'effetto piezoresistivo. Esso si manifesta attraverso un cambiamento della distribuzione della carica superficiale (e quindi di resistenza) sulle facce del dispositivo quando esso è sottoposto a sforzi meccanici. Rispetto agli estensimetri metallici, quelli a semiconduttore non presentano fenomeni di isteresi meccanica, hanno una sensibilità ovvero un fattore di taratura GF (gauge factor) da 50 a 100 volte superiore. Gli svantaggi tuttavia non mancano e sono dovuti alla non linearità, alla fragilità, al costo elevato, al limitato campo di impiego (500-1000 µm/m) e alla difficoltà di compensazione termica. L'impiego tipico è quello della misurazione di deformazioni debolissime. In molti campi peraltro gli estensimetri a semiconduttore consentono l'analisi di fenomeni molto rapidi poiché, essendo molto sensibili, non richiedono l'utilizzo di amplificatori con le inevitabili limitazioni di banda che ne conseguono.

Trasduttori piezoelettrici. Sfruttano la proprietà di alcuni materiali, tipicamente il quarzo, di generare una tensione quando vengono sottoposti a sollecitazioni meccaniche quali la compressione, lo stiramento e la flessione. Questi dispositivi sono estremamente sensibili e rispondono a sollecitazioni dinamiche in un range di frequenze da 20 Hz a 20 kHz.

4. TRASDUTTORI DI TEMPERATURA

4.1 LE TERMOCOPPIE

Lo strumento più utilizzato per realizzare misure di temperatura, non considerando il

termometro clinico, è la Termocoppia. E' sicuramente uno strumento molto economico, di piccole

dimensioni e, se adoperato correttamente, molto accurato.

Il campo d'applicazione di questi strumenti è vastissimo: possono essere effettuate misure

nell'elio liquido (-270°) come in un altoforno (2200°). Inoltre queste sonde garantiscono una

risposta del segnale all'incirca lineare su tutto l'intervallo di misura.

Alla base del funzionamento delle termocoppie vi è l'effetto Seebeck, cioè la possibilità di

generare una differenza di potenziale da due metalli differenti in contatto posti a differenti

temperature. Questo fenomeno fu scoperto nel 1821, in seguito si dimostrò che questo fenomeno è

anche reversibile. In generale i metalli sono classificati in termini di polarità termo-ellettrica: un

materiale è definito "positivo" se incrementa la propria forza elettro-motrice EMF all'aumentare

della temperatura, viceversa è detto "negativo". Alcuni esempi sono riportati nella figura 4.1.1, incui le EMF sono valutate rispetto a quella del platino puro.

Fig. 4.1.1: EMF in funzione della Temperatura di alcuni materiali

Uno schema grafico di una semplicissima termocoppia è riportato nella figura 4.1.2.

Fig. 4.1.2: Schema di una Termocoppia

Nello schema possiamo osservare i due fili di metallo differente collegati ad un'estremità

mentre l'altra è collegata direttamente allo strumento di misura.

Talora si fosse interessati ad una misura diretta della HOT T è necessario avere un'opportuna

temperatura di riferimento. Questo accorgimento può essere realizzato attraverso due possibili

modifiche: la prima (fig. 4.1.3) permette di avere per ciascun filo un punto ad una temperatura

fissata. In questo modo la misura della temperatura nella giunzione sarà sempre fatta rispetto alla

temperatura di riferimento.

Fig. 4.1.3: Schema di una termocoppia con una zona di riferimento

Il secondo metodo è quello di utilizzare una seconda termocoppia di riferimento immersa in

una zona a temperatura REF T inferiore a quella ambiente della termocoppia principale amb T .

Fig. 4.1.4: Schema di una termocoppia con una seconda termocoppia di riferimento

Una problematica comunemente riscontrabile nell'utilizzo delle termocoppie è la qualità del

segnale: sono fortemente soggette a problemi di rumore elettrico. Essendoci, inoltre, due metalli

differenti in contatto, sovente si generano forze elettromotrici spurie dovute a fenomeni galvanici.

Questi fenomeni possono facilmente falsare completamente le misure. Altri fenomeni che possono

generare tensioni spurie possono essere eventuali disomogeneità dei materiali, deformazioni

permanenti, ossidazioni, contaminazioni delle leghe metalliche. Altri errori di misura possono

insorgere in presenza di salti di temperatura nella lunghezza dei fili metallici, ad esempio dovuti a

sorgenti termiche pressoché puntiformi.

Se volessimo effettuare misure di temperatura in un gas mediante una semplice termocoppia

otterremmo la temperatura raggiunta dalla sonda stessa. In generale possiamo definire la differenza

tra la temperatura dello strumento e quella del gas come un errore di misura le cui cause sono:

- Irraggiamento di calore dalla sonda

- Trasferimento di calore per conduzione

- Conversione di energia cinetica in calore nello strato limite che lambisce la

termocoppia

- Trasferimento di calore per convezione

Dobbiamo ricordare che oltre a commettere errori nel valore della temperatura misurata si

commettono errori dovuti ad un ritardo nella risposta dello strumento dovuti alla capacità termica

dello stesso.

I potenziali approcci per effettuare misure di temperatura all'interno di un gas sono

sostanzialmente due. Il primo è quello di utilizzare una semplice termocoppia e poi effettuare una

fase di post-processing che permetta di valutare gli errori effettuati nella misura. In questa fase

dobbiamo ricordare che tutte le cause enunciate in precedenza non agiscono indipendente ma

interagiscono tra loro modificando reciprocamente gli effetti. Un'altra tecnica è quella di progettare

opportunamente le termocoppie in modo da minimizzare gli effetti che causano gli errori.

In aerodinamica sperimentale solitamente si effettuano misure di temperatura totale, per poi

ottenere la temperatura statica una volta note le caratteristiche del flusso. Per effettuare l'arresto

adiabatico del fluido, si progetta la sonda dotata di una camera di ristagno con dei fori

opportunamente disegnati per generare un deflusso atto a non accumulare calore ma comunque da

garantire l'arresto del fluido.

Le misure di temperatura su superfici vengono usualmente effettuate attraverso particolari

vernici o cristalli liquidi che assumono una determinata colorazione a seconda della temperatura

raggiunta dalla superficie stessa.

4.2 TERMISTORI

Sono dei sensori che basano il loro funzionamento sullo stesso principio delle termoresistenze, con la differenza che l'elemento sensibile non è un metallo ma un semiconduttore. I termistori vengono indicati come NTC (Negative temperature coefficient) quando presentano un coefficiente di temperatura negativo e come PTC (Positive Temperature Coefficient) quando il coefficiente è positivo. Gli NTC sono realizzati con semiconduttori ceramici, ottenuti sinterizzando miscele di ossidi di nichel, ferro, cobalto e altri metalli. La dipendenza della resistenza dalla temperatura, in un range di temperatura limitato(50°C), può essere espressa in modo sufficientemente approssimato mediante la relazione:

RT = R0 e b( 1/T - 1/T0 )

Dove R0 è la resistenza alla temperatura di riferimento T0 espressa in Kelvin. Il parametro b è caratteristico del materiale e il suo valore è compreso fra 3000 e 4500 K.

Dalla precedente formula si ricava il coefficiente di temperatura TC, ovvero la variazione della resistenza con la temperatura:

TC% = -b / T2 · 100

Il suo valore è negativo e, oltre che dal materiale, dipende dalla temperatura assoluta stessa, per cui, a meno di non voler utilizzare questo sensore in un campo limitato di temperature, si presenta la necessità di circuiti di linearizzazione. L'andamento non lineare della resistenza in funzione della temperatura di un tipico NTC è illustrato nel seguente grafico.

I termistori PTC sono realizzati con materiale ceramico a base di titanio di bario con aggiunte di piombo o zirconio. La loro caratteristica resistenza-temperatura presenta un brusco cambiamento di pendenza quando viene raggiunta la cosiddetta temperatura di switching.

Esistono in commercio PTC realizzati in silicio drogato caratterizzati da un andamento più regolare della curva resistenza-temperatura.

I termistori hanno il pregio di una elevata sensibilità e di una piccola costante di tempo.Per contro, sono fragili e coprono un intervallo di temperatura limitato, compreso all'incirca tra -100 °C e + 200 ÷ 300 °C.

4.3 TERMORESISTENZE

Le termoresistenze (RTD: Resistance, Temperature, Detector) si basano sulla proprietà per

cui la resistenza elettrica dei metalli aumenta con la temperatura secondo una legge

caratteristica di ogni metallo.

In prima approssimazione si può esprimere questa legge con la semplice equazione

seguente:

Rt = R0 t) (4.1) Relazione fra resistenza e temperatura in un termoresistore.

dove Rt è la resistenza del termoresistore alla temperatura t [°C], R0 è la resistenza per

t = 0°C mentre α0 è il coefficiente di temperatura [°C −1] che dipende dal metallo e può

essere considerato circa costante.

Capitolo 4: Rassegna di sensori

Università degli Studi di Genova: Facoltà di Ingegneria

DITEC: Dipartimento di Termoenergetica e Condizionamento Ambientale

In realtà α0 varia con la temperatura stessa, quindi la relazione (4.1) va modificata

opportunamente per essere resa più precisa da caso a caso.

In pratica le termoresistenze sono costruite esclusivamente con filo di platino, nichel o

rame, per l'alto grado di purezza con cui possono essere ottenuti questi metalli e la buona

riproducibilità delle loro caratteristiche elettriche.

Il rame ha un coefficiente di temperatura simile a quello del platino e può essere usato

convenientemente nel campo di temperature che varia da -50°C a 250°C, il nichel può

sostituire il platino nel campo di temperature da -200°C a 350°C e per di più ha un

coefficiente di temperatura di circa 1.5 volte superiore.

I termoresistori di platino possono essere usati a partire da -200°C e sono i dispositivi più

accurati e stabili nel range di temperatura 0÷500°C anche se possono misurare temperature

fino a 800 °C (in genere per valori maggiori di 600°C si usano RTD al tungsteno).

L'intervallo fondamentale di un termoresistore è definito come la differenza di resistenza

fra 100°C e 0°C.

Solitamente, per i sensori da laboratorio tale intervallo è di 0.1 ; per termoresistori di uso

industriale, invece l'intervallo sale fino a 100 , con conseguente aumento di sensibilità.

Nel caso del platino, la relazione che lega il valore di resistenza assunto alla temperatura t

espressa in [°C] è l'equazione di Callendar-Van Dusen:

Rt = R0 + At + Bt + C t − t (4.2) equazione di Callendar-Van Dusen.

con At, Bt e C che dipendendono dalle proprietà del platino utilizzato per realizzare il

sensore ed R0 = 100Ω .

È utile osservare che per il range di temperature che va da 0 a 630°C, l'equazione (4.2) non

dipende dalla potenza terza della temperatura ma si riduce all'equazione di Callendar (4.3)

che si compone di un termine lineare e di un termine quadratico che comincia a pesare

oltre un certo valore di temperatura:

Rt = R0 + At + Bt (4.3) equazione di Callendar.

Gli RTD sono sensori di temperatura per misure assolute; hanno una buona sensibilità,

sono molto stabili e richiedono un circuito di interfaccia semplice.

Purtroppo sono non lineari e presentano bassi valori di resistenza; per ridurre il primo

inconveniente si utilizzano opportune tecniche di compensazione mentre per superare il

secondo inconveniente bisogna fare molta attenzione alla procedura di misura

(collegamento a 4 fili e metodi a ponte).

Tipicamente i termoresistori sono costituiti da un filo metallico sottile avvolto su una

piastrina di mica, o un supporto di ceramica o steatite; il tutto è ricoperto di smalto

ceramico e introdotto in una custodia protettiva metallica.

L'avvolgimento è eseguito a doppia elica per rendere l'elemento insensibile alle f.e.m.

indotte da campi magnetici variabili.

Capitolo 4: Rassegna di sensori

Università degli Studi di Genova: Facoltà di Ingegneria

DITEC: Dipartimento di Termoenergetica e Condizionamento Ambientale

Le giunzioni con i cavi di collegamento dovranno essere eseguite evitando resistenze di

contatto e possibilità di generazione di f.e.m. termoelettriche, facendo in modo che i

collegamenti tra metalli diversi siano sempre isotermi.

Per avere una buona velocità di risposta, cioè per poter eseguire misure di temperatura

rapidamente variabili, è necessario che il bulbo e la termoresistenza abbiano piccola inerzia

termica, cioè in definitiva, piccole dimensioni e buona trasmissione del calore al sensore;

l'esigenza di avere piccole dimensioni contrasta ovviamente con l'esigenza di avere elevate

sensibilità.

Gli RTD essendo sensori passivi, cioè non generano segnali elettrici, ma variano un

parametro elettrico al variare della temperatura, vanno inseriti in circuiti a ponte come

visto nel Capitolo 3, per ottenere dei segnali elettrici di tensione funzione della temperatura

da misurare.

4.4 PIROMETRI

Si tratta di un sensore che si basa sulla trasmissione del calore per radiazione

elettromagnetica e sulla legge di Plank che la regola.

Trovano impiego quando fra il sensore e l'ambiente di cui si vuol rilevare la temperatura,

non è attuabile un contatto diretto, ma è invece attuabile un contatto visivo.

Teoricamente questo sensore dovrebbe misurare la temperatura quando tutta la radiazione

termica della sorgente colpisce il dispositivo, in realtà il pirometro non funziona per tutte le

lunghezze d'onda, poichè le lenti o gli specchi utilizzati per focalizzare la radiazione sul

sensore costituiscono dei veri e propri filtri ottici.

Questi materiali, infatti, sono generalmente opachi per onde lunghe e onde corte, ma sono

trasparenti nel visibile e nel vicino infrarosso, per cui la legge di Plank non viene integrata

su tutte le lunghezze d'onda, ma circa nell'intervallo (0.3 m.

La radiazione generata dall'ambiente di cui si vuol rilevare la temperatura, coerentemente

con la risposta spettrale del sensore scelto, determina una corrente proporzionale a T

pertanto la funzione di trasferimento corrente/temperatura risulta fortemente non lineare.

Il pirometro è un sensore non invasivo, costoso e molto stabile che permette di misurare

anche temperature elevate; la sua sensibilità è più accentuata alle alte temperature che non

alle basse.