Corso Misure Elettriche ed Elettroniche: Lezione sui Sensori

Le interazioni nei sensori

CORSO
Misure
Elettriche
ed Elettroniche
a.a. 2019/20
LEZIONE nº 12
Prof. Crescini Damiano2
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LEZIONE 12
Le interazioni nei sensori

Sistema
ambiente
x(t)
y(t)
Sistema
misurato
trasduttore
Sistema
utilizzatore

Grandezze di influenza

Sistema
ausiliario
· dal sistema misurato
· dal sistema utilizzatore
· dal sistema ausiliario
· dall' ambiente
Il Tempo (invecchiamento)2
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LEZIONE 12

Campo di misura e di normale funzionamento

• Campo di misura definisce i limiti entro i quali deve
  variare il misurando affinché il sensore funzioni
  secondo le specifiche fornite dal costruttore.
• Campo di normale funzionamento: Campo di
  valori assunti dall' uscita corrispondentemente al
  campo di misura del misurando.
• Il modello scelto per rappresentare il
  comportamento del sensore può essere diverso a
  seconda del campo di variabilità del segnale di
  ingresso (contenuto all'interno del campo di misura).2
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  LEZIONE 12

Classificazione dei sensori

• Sulla base della tecnologia e del principio fisico
  utilizzato (ottico, piezoelettrico, ... )
• Funzione svolta e grandezza da misurare (m, K ... )
  Particolare settore cui sono destinati
  In base al loro comportamento energetico:
  SENSORI ATTIVI : convertono direttamente l'
  energia dell' ingresso in energia di uscita, senza l'
  ausilio di sorgenti esterne.
  SENSORI PASSIVI : richiedono energia dall'
  esterno (eccitazione) per la conversione.2
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  LEZIONE 12

Tipi di sensori passivi

Classi ed esempi di sensori passivi

Natura del sensore
Misurando e applicazioni
Resistore a filo
Resistenza variabile in un
potenziometro
Dimensioni, spostamento
Strain-gage
Resistenza variabile con lo
sforzo
Sforzi, coppie, forze, pressioni
Termometri a resistenza
Spira o termistore con variazioni
di resistenza
Temperatura, effetti termici,
calore irradiato
Cellule fotoconduttive
Resistenze variabili con
radiazioni incidenti
Relè sensibili alla luce o a
radiazioni infrarosse
Misuratori di traferro
Variazioni di induttanza con
campo magnetico
Spessori, spostamenti, pressioni
Sensore a magnetostrizione
Proprietà magnetiche variabili
con sforzi
Suoni, pressioni, forze
Sensore a effetto Hall
Interazioni campo magnetico
corrente
Forza del campo, correnti
Condensatore variabile
Variazioni di capacità per
lunghezza o area
Spostamenti, pressioni
Microfono a condensatore
Variazioni capacità per
pressione del suono
Voce, musica, rumori, vibrazioni
Dielettrico
Variazioni nel dielettrico
Livelli, spessori2
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LEZIONE 12

Tipi di sensori attivi

Classi ed esempi di sensori attivi

Natura del sensore
Misurando e applicazioni
Sensori ad equipaggio
mobile
Movimento relativo tra
magnete ed equipaggio
Correnti, tensioni
Termocoppie
Metalli diversi a diverse
temperature
Temperature, radiazioni,
flussi di calore
Sensori piezoelettrici
Compressione del quarzo o
altro cristallo
Vibrazioni, accelerazioni,
suoni, pressioni
Cellule fotovoltaiche
Generazione in
semiconduttori di tensione
dalla luce solare
Esposizione, luce2
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LEZIONE 12

Regime stazionario e regime dinamico

• 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 con
  misurando costante nel tempo
  .
  Regime dinamico: quando si verifica il contrario
  Occorre una caratterizzazione del sensore nelle due
  situazioni2
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  LEZIONE 12

Parametri fondamentali dei sensori

• Sensibilità
• Risoluzione
• Taratura
• Isteresi
• Linearità
• Risposta in frequenza
• Tempo di risposta
• Vita utile
• Ripetibilità
• Stabilità
• Accuratezza
• Affidabilità
• Range di ingresso
• Selettività
• Costo, dim. e peso
• Impedenza (in/out)
• Fattori ambientali
  - temperatura max/min
  - tempo di warm-up
  - umidità relativa
  pressione max
  - presenza di gas, fumi,
  · molti altri ...2
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  LEZIONE 12

Sensibilità

• Rapporto tra la variazione del segnale in uscita al trasduttore e la
  corrispondente variazione della grandezza in ingresso (es: per la
  termocoppia rame-costantana circa 45 microV/°C ).

Risoluzione

• La risoluzione corrisponde con la più piccola quantità che può essere
  misurata; ovvero con la minima variazione dell'ingresso che provoca
  un'apprezzabile variazione in uscita.

Taratura (Calibrazione)

• L'operazione di taratura di un trasduttore corrisponde con la
  misurazione della grandezza di uscita per valori noti della grandezza
  di ingresso al trasduttore stesso.
• Per ciclo di taratura si intende una prova che copra tutto il campo
  di misura del trasduttore; la prova viene suddivisa in due parti,
  una per valori crescenti della grandezza e l'altra per valori
  decrescenti2
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  LEZIONE 12

Isteresi

• Corrisponde con la massima differenza tra i due cammini di andata e
  di ritorno dell'uscita di un trasduttore durante il ciclo di calibrazione.
  E' espressa in percentuale del fondo scala (% f.s.).

Linearità

• Corrisponde con il massimo scostamento, espresso in % di f.s., tra
  curva di calibrazione e una linea retta di riferimento.

Tempo di risposta

• Quando in ingresso al trasduttore applichiamo una sollecitazione a
  gradino (cioè un gradino della grandezza da misurare) l'uscita
  (risposta) varierà fino a raggiungere, dopo un certo tempo, un nuovo
  valore. A tale proposito vengono definiti:
  - tempo di salita: tempo impiegato per passare dal 10% al 90% del
  valore finale
  - tempo di risposta: tempo impiegato per raggiungere una
  percentuale prefissata del valore finale.2
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  LEZIONE 12

Grafico del tempo di risposta

Sovraelongazione
Valore di regime
Percentuali
definite
del valore di regime
(ex. 10% - 90%)
Fascia di ampiezza definita
Tempo morto
TEMPO
Tempo di salita
Tempo di risposta
Tempo di assestamento2
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LEZIONE 12

Vita utile del trasduttore

• E' il tempo per il quale il trasduttore opera senza modificare le sue
  prestazioni.

Ripetibilità

• Attitudine del trasduttore a fornire valori della grandezza in uscita
  poco diversi tra loro, a parità di segnale di ingresso, nelle stesse
  condizioni di lavoro.

Stabilità

• Capacità del trasduttore a conservare inalterate le sue caratteristiche di
  funzionamento per un certo intervallo di tempo (lungo, medio, breve).

Confronto parametri termocoppia e termoresistenza

Parametro
Termocoppia
Termoresistenza (es. Pt100)
· Sensibilità
10+50 uV/°℃
0.1+1 kQ/°℃
· Stabilità (anno)
0.5℃
· Range temp.
-200+1600℃
-200+600 ℃
· Diametro minimo
& mm
& mm
· Costo
20€
50€August 2009
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LEZIONE 12

Normative per dispositivi di misurazione

EN 61298-2 - Dispositivi di
misurazione e controllo del
processo - Metodi e procedure
generali per la valutazione
delle prestazioni
DEUTSCHE NORM
DIN EN 61298-2
DIN
ICS 25.040.40
Ersatz für
DIN EN 61298-2:1996-07
Siehe jedoch Beginn der
Gültigkeit
Prozessmess-, -steuer- und -regelgeräte -
Allgemeine Methoden und Verfahren für die Bewertung des
Betriebsverhaltens -
Teil 2: Prüfungen unter Referenzbedingungen (IEC 61298-2:2008);
Deutsche Fassung EN 61298-2:2008
Process measurement and control devices -
General methods and procedures for evaluating performance -
Part 2: Tests under reference conditions (IEC 61298-2:2008):
German version EN 61298-2:2008
Dispositifs de mesure et de commande de processus -
Méthodes et procédures générales d'évaluation des performances -
Partie 2: Essais dans les conditions de référence (CEI 61298-2:2008);
Version allemande EN 61298-2:2008
Gesamtumfang 27 Seiten
DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE2
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LEZIONE 12

Ripetibilità

Ripetibilità: Attitudine del trasduttore a fornire
valori della grandezza in uscita poco diversi tra
loro, a parità di segnale di ingresso, nelle stesse
condizioni di lavoro. E' espressa in percentuale
del fondo scala (% f.s.).

Esempio di Calcolo Accuratezza: primo contributo

Output
0
100%
Pressure (% FS)
Non-Repeatablity2
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Isteresi: Corrisponde con la massima differenza
tra i due cammini di andata e di ritorno dell'uscita
di un trasduttore durante il ciclo di calibrazione.
E' espressa in percentuale del fondo scala (%
f.s.).
LEZIONE 12

Esempio di Calcolo Accuratezza: primo contributo

Output
0
100%
Pressure (% FS)
Hysteresis2
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Linearità:
Corrisponde
co
il
massimo
scostamento, espresso in % di f.s., tra curva di
calibrazione e una linea retta di riferimento. E'
espressa in percentuale del fondo scala (% f.s.).
LEZIONE 12

Esempio di Calcolo Accuratezza: primo contributo

0.25%
BFSL
Output
0.25%
0.25%
0
100%
Pressure [% FS)
Best Fit Straight Line Non-Linearity2
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LEZIONE 12

Esempio di Calcolo Accuratezza: IEC 61298-2

Non-Linearity - 0.5% BFSL
Non-Repeatability - 0.05% F.S.
Hysteresis - 0.1% F.S.
Accuracy (@ room temperature) =VL2 + R2 + H2
Accuracy (@ room temperature) =v0.52 + 0.052 + 0.12
Accuracy (@ room temperature) =VL2 + R2 + H2 = 0.51% FS2
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LEZIONE 12

Affidabilità (Reliability)

• E' l' attitudine del sensore a fornire specificate
  prestazioni sotto determinate condizioni e per un
  certo periodo
• E' espressa in termini statistici come la probabilità
  che il dispositivo funzioni senza guasti per un tempo
  specificato (nelle specificate condizioni di utilizzo)
  Mean Time To Failure (MTTF): letteralmente si riferisce al tempo medio
  al verificarsi di un guasto. Il sensore dovrà quindi essere sostituito in
  seguito al guasto. Per esempio fornito dal costruttore in ore equivalenti
  sotto specifiche condizioni di utilizzo (temperatura ed installazione)2
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  DB325
  E1100F
  -
  TEDERIC
  TEDERIC
  LEZIONE 12

Caratterizzazione del sensore dal costruttore

High pressure
cylinder
Hopper
Ram
Cylinder
Lock
Low pressure
cylinder
Mold
Screw
motor
Screw
cylinder
Heating bands
Screw
Come viene
caratterizzato dal
costruttore?
Temperature
sensors
GEPRAN
Pressure
sensor
Screw
position
sensor
Zone 1
Zone 2
Zone 3
Temperature
i control
modules
Pressure
control
module
Position
control
module
PLC
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ESEMPIO DI SENSORE CON ASSOCIATE
CARATTERISTICHE METROLOGICHE
FORNITE DAL COSTRUTTORE
LEZIONE 12

GEFRAN KS PRESSURE TRANSMITTER

GEFRAN
KS
PRESSURE TRANSMITTER
GEFRAN
SIL2
VTEE
TYGUARD
GEFRAN
Made In EU - www.gofraz.c/oes
0 ... 10Vdc / 0.1 ... 5.1Vdc / 0.1 ... 10.1Vdc / 0 ... 5Vdc /
1 ... 5Vdc / 1 ... 6Vdc / 1 ... 10Vdc / 0.2 ... 10.2Vdc (3 wires)
0.5 ... 4.5Vdc (3 wires - ratiometric)
. Compact size
· Wetted parts: Stainless steel
. SIL 2 certified according to IEC/EN 62061:2005
KS transmitters are based on film sensing element deposited on
stainless steel diaphragm.
Thanks to the latest state of the art SMD electronics and compact
all stanless steel construction, these products are extremely robust
and reliable, with SIL2 certification supplied as standard.
UL
C
US
LISTED
CE
Main Features
· Ranges: from 1 to 1000 bar
· Nominal Output Signal:
4 ... 20mA (2 wires)
Port:"
Output: 0.
Range: 0
Model: KS-
Code:
Supply:
Serial Nungs
KS transmitters are suitable for all industrial applications, specially
on hydraulics (presses, pumps, power pack, fluid power, etc.) with
severe conditions usually with high level of shock, vibration, and
pressure and temperature peaks.
This symbol present on the product label stands for further indications on product manual. For correct and safe installation, follow the
instructions and observe the warnings contained in this manual. No hazards shall arise by any reasonably foreseeable misuse in a way not
intended, and not described in this manual. The complete manual is available for download from the website www.gefran.com.
UL file number E216851