TRASDUTTORI

TRASDUTTORI

GENERALITA’

I trasduttori sono dispositivi che percepiscono grandezze fisiche e generano segnali diversi (solitamente elettrica), dovuti alla grandezza fisica che li ha prodotti, secondo una precisa legge. Servono sia per la misura sia per il controllo delle grandezze fisiche.

Nel controllo, il trasduttore serve a realizzare la retroazione del valore attuale della variabile controllata.

Il segnale in uscita dal trasduttore deve essere amplificato e adattato alle caratteristiche di ingresso del sistema di controllo, per poter confrontare l’informazione col comportamento desiderato e, se serve, correggere l’azione degli attuatori presenti sul sistema controllato.

I trasduttori sono classificati in base alla grandezza misurata o alla grandezza derivata in:

• -          trasduttori di posizione,
• -          trasduttori di velocità,
• -          trasduttori di sforzo,
• -          trasduttori di temperatura,
• -          trasduttori di luce
• -          trasduttori di accelerazione,
• -          trasduttori di portata,
• -          trasduttori di livello
• -          ecc.

Per quanto riguarda l’energia, i trasduttori si dividono in:

-          trasduttori attivi = auto generanti una tensione o una carica, ossia l’energia elettrica del segnale di uscita è data dalla grandezza fisica stessa. Danno solitamente segnali di bassa energia. Esempi:

§  i sensori fatti di materiali piezoelettrici o piezoresistivi,

§  le termocoppie (effetto Seebeck),

§  i trasduttori fotovoltaici (il selenio illuminato fornisce una tensione),

§  i trasduttori elettromagnetici (l’energia è ottenuta dallo spostamento reciproco tra un magnete e una bobina),

§  ecc.

-          I sensori passivi, più diffusi, hanno tre porte energetiche:

1.       l’eccitazione elettrica (alimentazione),

2.       la grandezza fisica in ingresso,

3.       il segnale elettrico in uscita, regolato dal segnale fisico e retto dall’alimentazione.

Parametri principali

I parametri tecnici forniti dal costruttore sono:

-          le caratteristiche statiche

-          le caratteristiche dinamiche

-          le condizioni ambientali.

Le caratteristiche statiche includono le informazioni sul comportamento ingresso-uscita del trasduttore quando la grandezza da misurare è stabile, oppure varia molto lentamente.

Le caratteristiche dinamiche descrivono la risposta del sensore ad un gradino nel valore della grandezza fisica rilevata.

Le condizioni ambientali rappresentano le condizioni di funzionamento (temperatura, acidità, salinità, radiazioni, ecc.) in cui gli altri parametri sono assicurati.

Tra i parametri statici, vi sono:

-          il campo di misura, cioè il valore minimo e il valore massimo misurabili,

-          l’accuratezza del sensore

-          la funzione di trasferimento ingresso uscita.

L’accuratezza, o precisione, è il massimo allontanamento tra la misura effettiva data dal sensore ed il valore reale della grandezza fisica misurata, espresso in percentuale sul fondo scala (±ε%), valida in determinate condizioni ambientali e di rumore. Comprende tutti gli errori (linearità, isteresi, ecc.).

La RISOLUZIONE è l’entità della variazione della grandezza d’ingresso apprezzabile in uscita.

In un trasduttore la precisione è sempre maggiore della risoluzione.

La FUNZIONE DI TRASFERIMENTO è la relazione tra:

-          grandezza fisica in ingresso

-          segnale elettrico in uscita.

Si può rappresentare:

-          Graficamente con una retta

-          Con una legge matematica

-          Con una tabella di valori

-          Con una costante di proporzionalità.

Spesso si indica con “sensibilità del trasduttore” la costante di rapporto tra:

-          la variazione del segnale di uscita

-          la variazione della grandezza in entrata.

Un sensore deve avere tra le caratteristiche dinamiche:

-          la COSTANTE DI TEMPO ossia il tempo impiegato dall’uscita a raggiungere il 63% del fondo scala in risposta a una sollecitazione a gradino sul segnale d’ingresso

-          il TEMPO DI RISPOSTA ossia il tempo necessario per raggiungere il 90 o 98% del fondo scala

-          il TEMPO DI SALITA ossia il tempo necessario per passare dal 10 o 90% + overshoot

-          la risposta in frequenza di taglio.

Le condizioni ambientali sono date come:

-          valori massimi

-          stabilità in condizioni di Temperatura, salinità, radiazioni ecc.;

-          disturbi sull’alimentazione;

-          rumore massimo del trasduttore in dB.

PONTE DI WHEATSTONE

Ponendo il sensore nel cosiddetto PONTE DI WHEATSTONE (un ponte resistivo di misura proposto dal fisico inglese C. WHEATSTONE) formato da:

-          4 bipoli alimentati a tensione

-          un rilevatore di tensione sulla diagonale opposta.

 

Ponendo:

 = K

Si ha

E0 = 0

Solo se anche   = K

Per cui se r1 è un’incognita, possiamo calcolarcela, tramite la cosiddetta MISURA PER BILANCIAMENTO, facendo variare R4 fino ad ottenere E0 = 0.

Nella maggior parte dei casi, però, si preferisce misurare la tensione E0 di sbilanciamento dovuta a un trasduttore resistivo variabile inserito in uno dei due rami.

Indicando con x la variazione frazionaria della singola resistenza R ( x =  ) si ha una relazione non lineare in x:

E0 =   

 Se x << 1 allora:

E0 = x   

Ed occorre valutare l’errore di non linearità.

SENSIBILITA’

La SENSIBILITA’ DI UN PONTE è il rapporto tra:

-          lo sbilanciamento E0 max in uscita

-          la tensione di eccitazione del ponte, corrispondente alla tensione di sbilanciamento con alimentazione 1 V.

Se la massima variazione è x = 0,002 la sensibilità sarà:

  = 0,4995  

 Se la massima variazione è x = 0,02 la sensibilità sarà:

  = 4,95  

Per x maggiori la sensibilità diventa maggiore.

TRASDUTTORI DI TEMPERATURA

La temperatura è una grandezza fisica che riguarda:

-          Processi fisici

-          Processi chimici

-          Processi biologici

Pertanto, è fondamentale controllarla con estrema precisione.

NTC

I termistori NTC (Negative Temperature Coefficient) sono resistori costituiti da miscele di ossidi di semiconduttori, capaci di diminuire la loro resistenza all’aumento della temperatura con coefficienti che vanno dai 2%/K ai 6%/K.

In commercio vi sono NTC con valori ohmici standard a 25^ο C:

-          in contenitore a pastiglia per misure ambientali

-          a bulbo esagonale con testa filettata per un ancoraggio su piastra

-          con rivestimento in acciaio inox per ambienti aggressivi

-          a montaggio superficiale

Per misurare la resistenza occorre una corrente di test che, però, produce calore per effetto Joule e, quindi, la temperatura interna aumenta; pertanto, occorre usare una piccola corrente di test (1 mA).

In un partitore con resistenza Rs e si ha  = 1, 67 allora si ottiene la sensibilità dell’1%/ ^ο C della tensione applicata con un 5% di linearità.

TERMOCOPPIE

Due conduttori metallici a diversa elettronegatività, saldati fra loro a un’estremità (detta giunzione calda), presentano all’estremità libera (detta giunzione fredda) una forza elettromotrice E proporzionale alla differenza di temperatura tra le due giunzioni:

E = k (T -T₀)

Ove:

K = sensibilità della termocoppia, in μV/ ^ο C, dovuta ai materiali usati

T = temperatura al giunto caldo

T₀ = temperatura al giunto freddo.

Questo fenomeno è detto EFFETTO SEEBECK in onore del suo scopritore.

Per calcolare la T al giunto caldo, occorre prima sapere la temperatura della giunzione di riferimento:

-          mantenendo costante a un valore noto la temperatura al giunto freddo

-          misurando costantemente la temperatura della giunzione di riferimento con un secondo sensore.

Per le termocoppie di metallo nobile si usano doppini di estensione sostitutivi, ma economici.

Si usano soprattutto:

-          termocoppie tipo J (ferro/costantana)

-          termocoppie tipo K (nichel/cromo-alumel) per le basse temperature

-          termocoppie tipo T (rame/costantana) per Temperature >1000 ^ο C

La TENSIONE DI USCITA è data da un giunto freddo a 0 ^ο C. I coefficienti di temperatura sono molto variabili, cosa che dimostra la mancanza di linearità di questi fattori.

La termocoppia assiemata ha una guaina di protezione, in tubo metallico e/o ceramico chiuso ad una estremità, che serva a proteggere i fili della termocoppia dagli agenti dannosi dell’ambiente di misura.

Per gli ambienti pressurizzati si usano termocoppie con contenitore a tenuta di pressione, ossia il cosiddetto pozzetto termometrico, la cui testa accoglie la morsettiera di connessione, ed è per di più dotato di filettatura o flangia per attaccarlo al dispositivo sotto pressione.

RTD

Le RTD (Resistence Temperature Detectors) sono termoresistenze molto usate nelle industrie, in quanto sono adatte per ambienti da –200 a +850 °C. Contengono un filo metallico conduttivo (platino, rame, nichel) su un supporto di mica, posto in un contenitore in acciaio.

Le RTD, sfruttando la capacità dei metalli di aumentare la propria resistenza all’aumentare della temperatura, secondo il modello

Dove:

-          R0 è la resistenza dell’elemento alla temperatura T0

-          α è il coefficiente di temperatura  espresso in Ω/Ω °C.

Le RTD hanno:

• -          buona stabilità
• -          discreta sensibilità
• -          ottima precisione;
• -          sono più accurate delle termocoppie (misurano anche valori compresi tra 0,1 e 0,05%).

L’RTD più usata è la Pt100, fatta di filo di platino, con una resistenza di 100 Ω a 0 °C, con tolleranza ±0,2% (detta anche 1 DIN) per la classe B, oppure ±0,1% (1/2 DIN) per la classe A, con coefficiente di temperatura 0,00385 Ω/Ω °C.

Le RTD Pt1000, invece, sono più sensibili.

Le RTD Pt10 sono costituite da un filo più robusto e quindi sono più attendibili oltre i 600 °C.

Le costanti di tempo delle termoresistenze vanno da 20 s a 0,6 s in base:

-          alle dimensioni

-          all’ambiente di misura, aria o liquido, fermo o in movimento.

Al massimo raggiungono i 100 ms.

Per misurare la temperatura, il sensore:

-          o viene posto in un ramo di un ponte

-          o viene fatto attraversare da una corrente costante per trasformare la variazione di resistenza in una variazione di tensione.

In entrambi i casi, la misura della temperatura può essere alterata

-          da problemi di auto-riscaldamento, dovuti alla corrente iniettata

-          dalla variazione della resistenza dei fili di collegamento al variare della temperatura ambiente del campo.

Errore dovuto ai fili di collegamento

Se il sensore è collegato al ponte mediante due soli fii di collegamento, se varia la resistenza dei fili stessi per la temperatura ambiente, varia anche la resistenza su un ramo del ponte, e quindi si ha un indesiderato squilibrio in uscita.