Il trasduttore nella catena di acquisizione dati .

1. Il trasduttore nella catena di acquisizione dati. Condizionamento (filtro +amplificatore) Conversione (A/D) Sensore La catena di acquisizione dati puo' essere schematicamente rappresentata da quattro grandi blocchi logici nel seguente ordine: trasduzione,,condizionamento, e, conversione A/D per adattare il segnale al PC. Evidentemente, dalle caratteristiche di uscita del primo blocco dipende sia la circuiteria di filtraggio sia quella di amplificazione che adatta il segnale analogico alle caratteristiche d'ingresso del convertitore Analogico/ Digitale. Per quanto concerne le realizzazioni pratiche bisogna porre molta attenzione alle condizioni di lavoro del trasduttore. A questo scopo e' bene leggere attentamente le documentazioni fornite assieme ai diversi prodotti. Queste specificano sempre sia le caratteristiche generali del trasduttore sia i suoi limiti fisici e le migliori condizioni ambientali di lavoro. A questo proposito e' bene leggere la pagina titolata,Caratteristiche fisiche.

2. CONVERSIONE : La conversione è la parte della catena di acquisizione dati in cui il dato analogico viene convertito in dato digitale corrispondente. Questa conversione è eseguita dal ADC (Convertitore Analogico-Digitale), il quale ha in ingresso il dato analogico che è già passato attraverso le fasi precedenti mentre in uscita ha il dato digitale su N bit con un errore di un LSB in più o in meno. LSB è il bit meno significativo mentre MSB è il bit più significativo. Quindi si può notare come la precisione è dovuta dal numero di bit e dalla massima ampiezza del segnale di ingresso, infatti più valori di uscita ci sono in un arco di valori più il campionamento sarà preciso. SISTEMI DI .... ACQUISIZIONE: Per sistema di acquisizione dati, si deve intendere qualsiasi sistema in grado di rilevare e memorizzare grandezze analogiche e/o digitali. DISTRIBUZIONE: Consiste nell’inviare segnali analogici o digitali ad attuatori come motori, dispositivi riscaldati, relè,...

3. Architettura generale di acquisizione e distribuzione dati • E’ composto da:un sistema di misura e contatto con il mondo fisico,in grado di rilevare grandezze fisiche come temperatura,velocità,ecc; • Un sistema con un’unità centrale che fornisce i segnali di controllo e temporizzazione per i sottosistemi di acquisizione e di distribuzione. L’unità centrale esegue operazioni di elaborazione e memorizzazione. • Un sottosistema che provvede a generare segnali di uscita che devono comandare motori,relè ecc..

4. CICUITO DI CONDIZIONAMENTO • E’ necessario utilizzare circuiti di condizionamento la cui funzione è fondamentale per tutti i blocchi successivi della catena di acquisizione. Infatti,un corretto condizionamento assicura un buon trasferimento dei segnali provenienti dai trasduttori al convertitore ed elimina i disturbi ad esso associati. I circuiti di condizionamento svolgono le seguenti funzioni:conversione corrente - tensione, amplificazione e traslazione di livello, isolamento, filtraggio, linearizzazione.

5. Convertitore A/D • Il convertitore A/D ha il compito di trasformare il segnale analogico presente al suo ingresso in un segnale digitale a N bit. Ad un convertitore viene applicata una corrente continua particolarmente stabile detta tensione di riferimento (Vref), questa tensione viene anche detta tensione di fondo scala (Vfs). Il rapporto tra Vfs e due volte il numero dei bit rappresenta la risoluzione del convertitore, ovvero la più piccola tensione che applicata all’ingresso produce un cambiamento del dato digitale in uscita.

6. Sistema di distribuzione dati

7. Sistema di distribuzione ad un solo canale • Nella figura riportata si presuppone che si debba agire su un solo attuatore per il controllo di una determinata grandezza fisica (velocità,posizione ec.). • In tal caso i dati digitali elaborati dal sistema a microprocessore sono trasformati in dati analogici con un convertitore D/A e, debbono essere stati opportunamente filtrati se necessario, sono amplificati ed inviati all’attuatore. • Il segnale in uscita dal convertitore o dal filtro non è in grado di controllare direttamente l’attuatore che in genere è un dispositivo che richiede per il funzionamento correnti e tensioni elevate.Occorre eseguire su di esso un processo di amplificazione.

8. CONVERTITORI A/D e D/A • I convertitori A/D e D/A sono realizzati in modo tale da poter essere collegati direttamente con i microprocessori per implementare sistemi di acquisizione e distribuzione dati. Questi dispositivi presentano alcuni pin collegabili direttamente con quelli corrispondenti presenti sulla CPU.

9. Trasduttori: E' un dispositivo in grado di trasformare le variazioni di una grandezza fisica , normalmente non elettrica , in un'altra grandezza , normalmente di natura elettrica (tensione , frequenza o corrente). E’ composto da due parti: Sensore: un dispositivo che rileva le variazioni di una grandezza modificando una delle proprie caratteristiche fisiche, Convertitore:E’ un circuito elettronico che trasforma le variazioni di un parametro del sensore in una variazione di una grandezza elettrica.

10. Il sensore spesso è sensibile a variabili che alterano il risultato della misura primaria,quindi per ottenere un buon funzionamento bisogna attenersi al data-sheet in cui sono descritti: • I parametri caratteristici del sensore ; • Gli schemi dettagliati piu comuni di utilizzo; • I circuiti di prova per verificare le caratteristiche; • I limiti di impegno.

11. Tipi di trasduttori: Analogico: quando il suo segnale di uscita è una grandezza elettrica che varia in modo continuo mantenendo una doppia corrispondenza con il valore della grandezza misurata Digitale:quando il suo segnale di uscita è composto da uno o più segnali digitali che possono assumere ciascuno solo due livelli di tensione identificati come 0 e 1.

12. Attivi:Quando forniscono in uscita un segnale direttamente utilizzabile da circuiti di elaborazione senza nessun consumo di energia elettrica.é il caso delle celle fotovoltaiche e delle termocoppie. Passivi:Sono quei trasduttori ai quali bisogna fornire energia elettrica perché la grandezza fisica d’uscita possa essere trasformata in una grandezza elettrica.Ad esempio il Potenziometro che fornisce in uscita valori di resistenza diversi, a seconda della posizione.

13. Parametri caratteristici dei sensori: Caratteristiche di trasferimento: E' il legame che intercorre tra la variabile da misurare (ingresso) e il segnale elettrico di uscita del trasduttore. I trasduttori la cui caratteristica è una retta sono detti lineari.

14. U U=KI Caratteristica dei Trasduttori; La Linearita’. tg=K  U=KI I U: La grandezza di uscita del sensore I: La grandezza da misurare K: Coefficiente angolare

15. Quando la retta non passa per l'origine la variabile d'uscita è diversa da zero in corrispondenza del valore nullo della variabile di ingresso. L'equazione è: U=KI+offset U=Grandezza di uscita U=KI+offset offset I=grandezza d' ingresso Si definisce offset il valore non nullo della variabile di uscita corrispondente al valore nullo della variabile d' ingresso.

16. Linearità: Il funzionamento ottimale di un trasduttore è quello definito da una caratteristica lineare. La linearita è il parametro che evidenzia la deviazione tra la retta (caratteristica teorica) e la curva reale. La non linearità è il valore massimo della deviazione rispetto alla curva teorica in valore assoluto riferito al valore massimo del segnale di uscita. Un sensore è buono quando la sua non linearità non è superiore allo 0.1%.

17. Grandezza D’uscita U=Grandezza di uscita Caratteristica reale Caratteristica Ideale Deviazione I=Grandezza d' ingresso

18. Range di funzionamento: E' l'intervallo dei valori che può assumere la grandezza che deve essere trasdotta. Range di Saturazione Funzionamento Zona lineare Min Max

19. Isteresi: E' l' area racchiusa tra le due curve e rappresenta una imprecisione di misura. Sensibilità: E' il rapporto tra la variazione della grandezza di uscita e la variazione della grandezza d' ingresso che la provoca. U S= I

20. Più il coefficiente angolare della retta è elevato più il trasduttore è sensibile e minore sarà il range di funzionamento. U Maggiore pendenzaTrasduttore più sensibile. Valore massimo di uscita U1 U2 l

21. Tempo di risposta: E' il tempo che il trasduttore impiega per raggiungere in uscita il valore di regime corrispondente al valore d' ingresso. Risoluzione: E' il rapporto percentuale tra la minima variazione della grandezza di uscita in grado di essere rilevata e il valore massimo del fondo scala.  Ripetibilità: E' la capacità di un sensore di fornire sempre gli stessi valori di uscita in corrispondenza dell' ingresso.

22. La Termoresistenza RTD: La Termoresistenza o RTD (Resistance Temperature Detector Rivelatore di Temperatura a resistenza) è un trasduttore di temperatura molto utilizzato in applicazione industriale.Essa è costruita con materiali metallici come il Platino ,Nichel e Tungsteno.La legge della variazione della resistenza con la temperatura ,lineare in un vasto Range di funzionamento,è: Rt=R0*(1+*T)

23. Il trasduttore di temperatura AD590 Il trasduttore di temperatura AD590 è un dispositivo a due terminali,e per tensioni di alimentazioni nel range 4/30V genera una corrente di A/K. Contenitore AD590 (Visto dal Basso)

24. Nelle applicazioni pratiche si pone il problema di convertire il segnale di uscita dell’AD590 in tensione. Molto spesso è necessario adattare il segnale alle specifiche dei convertitori A/D.La conversione / V, è affidata ad un amplificatore operazionale che,per le sue caratteristiche,oltre a non caricare il segnale prodotto dal trasduttore,lo amplifica:

25. Il Trasduttore di Pressione . Per quanto riguarda i tipi di misurazioni effettuate si possono distinguere tre categorie differenti: - misuratori di pressione assoluta, ovvero riferita allo zero (vuoto); - misuratori di pressione relativa, ovvero riferita alla pressione atmosferica; - misuratori di differenze di pressione, ovvero misurano la differenza tra due diverse pressioni. Essi si differenziano in base all’effetto fisico sul quale si basano,questo puo’ essere il tipo: Capacitivo: è un condensatore la cui capacità varia quando una delle due armature,costituita da una membrana,subisce una deformazione non permanente per la sua struttura,a causa della pressione ad essa applicata.Il trasduttore è poco sensibile alla variazione di temperatura e presenta alta stabilità.

26. . Effetto Hall (l'effetto Hall è la formazione d.d.p., detto potenziale di Hall, sulle facce opposte di un conduttore elettrico dovuta a un campo magnetico perpendicolare alla corrente elettrica che scorre in esso): è costituito da una membranasullaquale si sposta un piccolo magnete a causa della variazione di pressione. I trasduttori ad effetto Hall trovano una vasta applicazione, ad esempio per misure indirette di corrente o come interruttori di prossimita. Nel primo caso, si misura il flusso magnetico causato dalla corrente che circola in un filo, e da tale misura si ottiene l'entita di tale corrente. Nel secondo caso viene generato un campo elettromagnetico che investe il trasduttore ad effetto Hall: quando un corpo arriva in prossimita delse nsore, determina una variazione dell'induzione magnetica sul trasduttore Piezoresistivo: è costituito da un semiconduttore la cui resistenza varia per la deformazione meccanica (in genere un incurvamento) di una membrana sotto l’azione di una forza applicata.

27. Estensimetri. Gli estensimetri sono componenti che subiscono una variazione di resistenza quando sono sottoposti a forze di trazione o compressione.Essi sono utilizzati per la misura (Gauge)di deformazioni e di forze e per le bilance elettroniche (Misure di peso). L’intensità di sollecitazione (Strain) deve essere contenuta nel limite della validità della legge di Hooke(Deformazione Elastica). Gli estensimetri si possono classificare nel seguente modo:

28. Estensimetri filiformi metallici o a strato metallico: sono realizzati con materiale metallico filiforme (Platino,Nichel-cromo,ecc)e variano la loro resistenza al variare delle dimensioni sia di lunghezza che sezione. Estensimetri Piezoresistivi: sono realizzati con semiconduttori drogati di tipo p o n. Hanno una sensibilità maggiore di quella degli estensimetri metallici e basano il loro funzionamento sulla variazione della resistenza del materiale al variare delle dimensioni.

29. Estensimetri Piezoelettrici:sono realizzati con cristalli di quarzo. Essi generano una variazione di tensione quando sono sottoposti a sollecitazioni di natura meccanica Gli estensimetri piezoelettrici sono maggiormente utilizzati perché è possibile integrare l’elemento semiconduttore sensibile, L’Amplificatore,il Circuito di Linearizzazione e quello di Compressione su un unico chip.

30. Dinamo Tachimetrica. La dinamo tachimatrica è una macchina elettrica che trasforma energia meccanica in energia elettrica. Nei sistemi di controllo la dinamo è utilizzata come trasduttore analogico che trasforma una velocità angolare in una tensione continua.

31. Encoder L’Encoder è un trasduttore digitale che trasforma una velocità angolare in un treno di impulsi compatibili con segnali TTL e CMOS. Il dispositivo è costituito da un disco forato,che puo’ essere metallico ,di vetro o metacrilico,da un fotodiodo trasmettitore e da un fototransistor ricevitore.

32. Trasduttori Meccanici I trasduttori meccanici trasducono la variazione di una grandezza fisica in ingresso, in una variazione di una grandezza meccanica in uscita. Essa può ' essere uno spostamento se il trasduttore e' del tipo libero oppure una forza se e' del tipo vincolato. Per quanto riguarda le applicazioni, i tipi maggiormente diffusi sono: · deformazione meccanica. · deformazione elastica; · dilatazione termica. Trasduttori Pneumatici Questi trasduttori svolgono la funzione inversa di quelli meccanici. Essi, difatti, convertono uno spostamento in una variazione di pressione proporzionale. La realizzazione più comune e' quella del tegolo-ugello che offre ottime prestazioni ed una grande varietà di applicazioni. L'unico inconveniente e' che l'uscita di questo tipo di trasduttori e', solitamente, un segnale di bassa potenza.