Indice: sensori e proprietà metrologiche, funzionamento stazionario e dinamico

Domande

LVDT

Illustrare il principio di funzionamento di un LVDT. Presentare almeno 3 applicazioni del sensore LVDT utilizzato per il rilievo di 3 distinte grandezze metrologiche.

Sensori smart

• Elencare le caratteristiche principali dei sensori tipo "SMART" comunicanti su bus di campo. Fare quindi un confronto con le soluzioni tradizionali analogiche.
• Elencare le caratteristiche principali dei sensori tipo "SMART" e confrontarle con una soluzione tradizionale.
• Smart Sensors: caratteristiche. Illustrarle brevemente.
• Illustrare brevemente le caratteristiche principali che distinguono gli SMART SEN- SORS dai sensori tradizionali.

Funzionamento stazionario vs dinamico

Indicare ed illustrare brevemente le grandezze metrologiche tipiche relative alla caratter- izzazione di un sensore in: 1) regime stazionario; 2) regime dinamico;

Sensore

In Figura 1 è riportata una rappresentazione schematica a blocchi del collegamento tra un trasduttore e gli altri sistemi fisici con i quali risulta interconnesso. Si richiede allo studente di:

• completare la rappresentazione identificando i vari sistemi;
• dare una definizione di linearità ai punti terminali (end-points);
• dare una definizione di deriva termica di sensibilità;
• dare una definizione di ripetibilità;
• dare una definizione di isteresi;
• presentare la metodologia di caratterizzazione dei sensori in regime dinamico;
• dare una definizione di stabilità;
• dare una definizione di linearità indipendente;
• dare una definizione di deriva termica di zero;
• dare una definizione di stabilità a lungo termine;
• indicare come si ottiene il calcolo dell'accuracy secondo IEC 61298-2;
• dare una definizione dei vari sistemi; 2
• fornire almeno un esempio del contributo dell'effetto di carico sul funzionamento del trasduttore;
• dare una definizione di deriva termica di zero e di sensibilità;
• dare una definizione di linearità e relativi metodi di rappresentazione ? ? X (t) + TRASDUTTORE Y (1) ? ? ?

Scelta sensore

Si richiede di determinare quale tra i tre sensori di pressione riportati in allegato è indicato nell'applicazione qui di seguito riportata. Le risposte fornite DEVONO essere motivate in dettaglio. Condizioni operative del sensore di pressione:

• FS = 100 kPa
• Accuratezza a temperatura ambiente 0.40 - FSO
• Accuratezza complessiva nel range termico (5℃ ... 40°C) 0.9 - FSO

Sensori induttivi

Illustrare il principio di funzionamento dei sensori di posizione induttivi (basati su correnti parassite)

Sensori resistivi

• Illustrare il circuito equivalente di un sensore resistivo indicando per ogni bipolo il suo significato fisico
• Illustrare brevemente il circuito equivalente di un sensore resistivo spiegando breve- mente cosa rappresentano R,L e C

Effetto Hall

• Illustrare il principio di funzionamento dei sensori ad effetto HALL. Presentare almeno un esempio di sensore ad effetto HALL per la misura di posizione angolare.
• Presentare il principio di funzionamento di un sensore angolare ad effetto Hall (si scelga una soluzione piacere) 3

Teoria

Sensori

Un sensore è un dispositivo che riceve in ingresso una grandezza fisica (misurando) e la elabora per mandare in uscita un'informazione diversa, solitamente di tipo elettrico per i successivi utilizzi. sensore <> trasduttore <> rilevatore <> trasmettitore sistema ambiente x(t) y(t) sistema misurato trasduttore sistema utilizzatore sistema ausiliario Figura 1: Schema sensore Sistema misurato Sistema fisico dal quale proviene l'informazione relativa ad una grandezza fisica o chimica da misurare. Relazione sis. misurato <> trasduttore, poiché quest'ultimo potrebbe perturbare il sistema dove si trova la grandezza da misurare. ES sensore con massa elevata su sistema per misurare le vibrazioni. Sistema utilizzatore Sistema fisico al quale il trasduttore trasmette l'informazione trasdotta e che provvede ad ulteriori elaborazioni. E' quindi necessario tempo per svolgere le operazioni prima di poter inviare il risultato. Gli effetti di carico sono causati da questa parte. Relazione sis. utilizzatore <> trasduttore Sistema ausiliario Sorgente di potenza che fornisce energia al trasduttore. Se il sensore è attivo questa parte non è necessaria, se invece è passivo, come avviene solitamente, necessita di energia per lavorare, in generale le linee che alimentano sensori ed attuatori devono essere divise poiché quest'ultimi necessitano di potenze molto maggiori e potrebbero provocare cali di tensione per i sensori, che invece devono funzionare bene anche con cali di energia perché svolgono funzioni di sicurezza. Relazione sis. ausiliario <> trasduttore Sistema ambiente Insieme di tutte le sorgenti di interferenza con il trasduttore che non siano riferibili al sistema misurato ed al sistema utilizzatore. E' importante che il sensore sia immune dal 4sistema esterno. ES vibrazioni, umidità etc Relazione sis. ambiente <> trasduttore Nella realtà la misura del sensore è influenzata anche da elementi dei sistemi utiliz- zatore, ausiliario ed ambiente, inoltre il tempo è una grandezza d'influenza perché esso è soggetto a degrado per gli elementi elettro-meccanici che lo compongono e non può essere evitato; dopo un certo tempo lo strumento sarà da sostituire. La funzione di conversione è l'espressione che permette di passare dal valore di ingresso a quello di uscita del sensore. Il campo dei valori d'ingresso è un intervallo di valori all'interno del quale si può variare la grandezza dell'ingresso. Viene indicato con 0 : 100 %FS. · campo di misura è il sottoinsieme di valori della grandezza d'ingresso per cui il trasduttore funziona secondo le specifiche · campo di sicurezza specifica i limiti dei valori che il misurando non deve superare per non danneggiare il trasduttore, tuttavia in questo intervallo le misure possono non essere precise. Il campo di variabilità dell'uscita è formato da: · campo di normale funzionamento: intervallo di valori assunti dall'uscita cor- rispondente al campo di misura del misurando, la cui relazione è stabilita dalla funzione di conversione. · valori estremi uscita: valori limite dell'intervallo del campo di normale funzion- amento assunti dall'uscita quando il misurando è esterno al campo di misura. Un sensore opera in regime stazionario quando le variazioni nel tempo del segnale di ingresso sono tali che la funzione di conversione non risulta alterata in modo significativo rispetto a quella che si ha quando il misurando è costante nel tempo. In caso contrario il sensore lavora in regime dinamico. Se un sensore ha un fattore tra uscita vera e quella fornita e/o c'è uno sfasamento si è in condizione di distorsione. Es: potenziometro x -> posizione del cursore (0: %FS) RL > resistenza d'ingresso sistema utilizza- tore Vo = Vi 1+ RLx(1 - x) x RL causa una non linearità nel sistema, pro- porzionale al rapporto RL/R (serve RL ~ 20R) Sistema ausiliario Trasduttore Misurando .... V. R R L Sistema utilizzatore 5

Caratteristiche metrologiche

REGIME STAZIONARIO

La funzione di taratura permette di ricavare dal valore di uscita la fascia di valore del misurando (è presente un'incertezza). · curva di taratura è la relazione biunivoca tra uscita del sensore e punto centrale della fascia di valore relativa al misurando · incertezza di taratura è la larghezza della fascia di valore assegnata al misurando come misura · sensibilità è l'inverso della pendenza della curva di taratura punto per punto; se la curva è lineare essa è costante e viene definita costante di taratura · linearità è lo scostamento massimo della curva di taratura da una retta, che può essere definita in vari modi: - end-points lin: retta collega primo e ultimo punto - zero-based lin: retta è quella che rende minimo il più elevato degli scostamenti in valore assoluto - indipendent lin: come zero-based lin ma la retta deve passare per il primo punto - least-square lin: retta per cui si ha il minimo valor della somma dei quadrati degli scostamenti In generale la linearità viene espressa relativamente al fondoscala. La risoluzione rappresenta la capacità di un dispositivo a funzionare come rivelatore dif- ferenziale nell'intorno del valore assegnato al misurando, ossia è il valore di variazione del misurando che provoca una modifica del valore di lettura di ampiezza pari all'incertezza di lettura. L' isteresi è la proprietà di uno strumento di fornire valori di lettura diversi per lo stesso misurando, quando esso varia aumentando o diminuendo. E' quindi la differenza dei valori di lettura per lo stesso misurando nelle diverse direzioni. La ripetibilità è la capacità di uno strumento a fornire valori di lettura poco distanti fra loro quando si applica più volte lo stesso misurando. E' l'intervallo di valori di lettura entro il quale si prevede cada una percentuale assegnata di valori di lettura, applicando lo stesso misurando più volte. In generale errore ripetibilità « isteresi/non linearità. Risoluzione, isteresi, ripetibilità forniscono l'accuratezza (a una certa temperatura). La stabilità è la capacità di conservare inalterate le caratteristiche di funzionamento per un determinato intervallo di tempo. Per fattori interni ed esterni non è possibile che questo tempo sia infinito. Ci sono prescrizioni d'uso: · valori ammissibili per il misurando: campo di misura e di sicurezza · notizie sull'uscita, può essere 6