I TRASDUTTORI

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Sensori e trasduttori occupano un ruolo di primaria importanza in vasti settori dell’elettronica. Con tipologie e caratteristiche assai diversificate vengono utilizzati nel campo dell’automazione industriale per trasformare grandezze fisiche fondamentali come spostamento, forza, temperatura, ecc..., in una grandezza di tipo elettrico quale tensione, corrente, frequenza utilizzabili da un sistema di controllo. Il termine sensore non ha lo stesso significato del termine trasduttore.
SENSORE
Si definisce sensore un dispositivo in grado di rilevare le variazioni di una grandezza fisica (temperatura, umidità, pressione) e di fornire in uscita un'altra grandezza fisica (resistenza, capacità, ecc...).
TRASDUTTORE
Si definisce trasduttore un dispositivo in grado di rilevare una grandezza fisica e trasformarla in una grandezza di natura elettrica, generalmente una tensione o una corrente legata alla prima da una ben determinata relazione e direttamente manipolabile dal controllo di processo.
Esempio con un trasduttore NTC:
-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: forniscono 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 /mm.
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 ⋅ (1+ α0 ⋅ 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
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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