Un trasduttore è un dispositivo in grado di rilevare una grandezza fisica di tipo qualsiasi (termico, luminoso, magnetico, meccanico, chimico, eccetera) e di trasformarla in una grandezza di altro tipo, generalmente elettrica (tensione o corrente). Il motivo della trasformazione è che in questo modo il segnale di uscita (generalmente una tensione o una corrente) è facilmente manipolabile mediante dei circuiti elettronici in modo da amplificarlo, linealizzarlo e filtrarlo da eventuali disturbi. Un segnale analogico potrà inoltre essere facilmente convertito in digitale (mediante un convertitore AD) ed acquisito da un sistema di elaborazioni dati e/o trasportato a distanza da un sistema di comunicazione dati. • Trasduttore: Il dispositivo nel suo complesso, che trasforma la grandezza fisica da misurare in un segnale di natura elettrica. • Sensore: Il sensore è l’elemento sensibile che converte la grandezza fisica in ingresso in una grandezza fisica in uscita facilmente acquisibile per via elettrica.
I Trasduttori di velocità La velocità di un oggetto indica la rapidità con cui la sua posizione cambia nel tempo. Esistono trasduttori di velocità lineare e angolare che basano il proprio funzionamento su fenomeni elettromagnetici o ottici. I trasduttori di velocità lineare: I trasduttori di velocità lineare di tipo elettromagnetico, consistono di un magnete permanente solidale con 1'oggetto di cui si vuole misurare la velocità e libero di muoversi avanti e indietro al1'interno di un avvolgimento. Quando il magnete si muove, viene indotta ai capi dalla bobina una forza elettromotrice e proporzionale alla variazione del flusso concatenato Φ secondo la legge di Lenz: e=−N d dt dove N rappresenta il numero di spire dell'avvolgimento. Più è elevata la velocità dell'oggetto solidale al magnete e tanto maggiore è la forza elettromotrice. II principale svantaggio di questo dispositivo è che la sua sensibilità dipende dalla posizione assunta dal magnete permanente. Si può infatti osservare che quando esso si trova interamente all'interno dell'avvolgimento non essendoci in questo caso alcuna variazione di flusso magnetico, l'uscita risulta nulla. Per ovviare a questo inconveniente si ricorre a dispositivi, indicati come LVT (linear velocity transducer), che utilizzano due avvolgimenti in controfase.
I Trasduttori di velocità angolare: II trasduttore di velocità angolare trasforma energia meccanica in energia elettrica e genera un segnale analogico proporzionale alla velocità di un albero in movimento (motore in AC, DC e a scoppio). Il suo principio di funzionamento è basato sull'induzione elettromagnetica e pertanto il dispositivo non fa uso d'alimentazione esterna. Il trasduttore di velocità angolare più diffuso è la dinamo tachimetrica anche se, a volte, sono utilizzati trasduttori magnetici miniaturizzati e di basso costo. I più diffusi trasduttori di velocità angolare sono la dinamo tachimetrica in D.C o AC. Il primo fornisce in uscita una tensione continua direttamente proporzionale alla velocità angolare, il secondo invece una tensione alternata avente ampiezza proporzionale alla velocità angolare.
LA DINAMO TACHIMETRICA La dinamo tachimetrica è un trasduttore di velocità angolare, che trasforma appunto una velocità angolare in una tensione continua. Essa funziona grazie all’interazione tra la corrente I che attraversa i conduttori attivi di una spira e l’induzione magnetica costante B. • Pregi: • Sensore a basso costo. • Sensore attivo (non necessita di una tensione di alimentazione). • Difetti: • Facilmente deteriorabile ( a causa della presenza delle spazzole, necessarie per prelevare il segnale di tensione). • Zone di transizione sul collettore introducono “ripple” sulla tensione generata. • Linearità: 0.5 ÷ 1 %. • Sensibilità: 5 ÷ 10 V/1000rpm. • Ripple Width: 1 ÷ 2 %. FUNZIONAMENTO: La dinamo tachimetrica è una macchina elettrica in corrente continua costituita da uno statore a magneti permanenti e da un dotato di un collettore a lamelle. Le estremità della spira strisciano su due anelli (collettori), i quali permettono il collegamento elettrico al circuito esterno mediante spazzole Quando la spira ruota sui contatti striscianti si preleva una forza elettromotrice indotta. FUNZIONAMENTO SCHEMATICO:
Vt=Vmsin ωt ω=velocità angolare Vm= Massima ampiezza sinusodie La parte mobile del sensore è costituita da un avvolgimento solidale alla parte di cui occorre misurare la velocità. L’avvolgimento è immerso in un campo magnetico fisso generato da un magnete permanente.
COME SI OTTIENE UNA TENSIONE CON LA DINAMO TACHIMETRICA: Per semplicità andremo a considerare una sola spira rotante che alle sue estremità ha due semianelli. Essi commutano scambiano la polarità della forza elettro motrice indotta così che la tensione di uscita Vt assuma un andamento sinusoidale. Considerato che la dinamo è formata da un rotore con N spire e che ogni spira è collegata ad una coppia di semicollettori, ne risulta che le spazzole sono collegate ad una particolare spira solo per un breve intervallo, durante il quale la spira presenta la massima superficie alle linee d'induzione magnetica e la forza elettromotrice indotta d'uscita è massima. In questo caso l’uscita è costituita da un segnale quasi continuo.
La tensione di uscita Vt sui morsetti di uscita a vuoto è: n è il numero di giri al minuto; N è il numero di spire; T è il tempo in secondi impiegato dal rotore per compiere un giro; Kt= N Φ/60 è la costante della dinamo; Ponendo n=60 ω/2 π la formula precedente diventa (Modello matematico di una dinamo): K è la costante tachimetrica; ω è la velocità angolare del rotore;
TRASDUTTORE MAGNETICO DI VELOCITA’ Il trasduttore magnetico di velocità angolare (tipo: 304-166) è utilizzato in applicazioni automobilistiche sei sistemi di slittamento, nei settori di diagnostica e regolazione del tempo di accensione. Ne esistono di diversi tipi e con differenti qualità, quello preso in esame non è il migliore poiché ad esempio non lavora all’interno di liquidi. STRUTTURA E FUNZIONAMENTO: Esso è racchiuso all’interno di un involucro d’acciaio cilindrico e su una estremità di esso è collegato l’elemento sensibile il quale scansiona la presenza di elementi. Questo trasduttore non richiede alimentazione, ed è quindi un dispositivo passivo. Il suo funzionamento è basato sulla variazione di riluttanza dovuta al movimento di un corpo ferroso che presenta denti e cave.
Il susseguirsi di denti e cave della ruota dentata (materiale ferroso) davanti all’avvolgimento determina una periodica variazione della riluttanza del circuito magnetico che crea una variazione ciclica del flusso che a sua volta induce una tensione alternata sull’avvolgimento come si vede nella figura sottostante:
COME SI OTTIENE LA TENSIONE (dal trasduttore magnetico):
Nella figura si può vedere il sensore e il suo equivalente disegno circuitale. Durante il suo funzionamento, riportando su grafico l’andamento della tensione Vs si ottiene:
Dente
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Cava
In prossimità del dente si avrà una tensione positiva mentre la tensione Vs risulterà negativa in prossimità di una cava. Per far si che la tensione Vs di uscita risulti continua variabile con la velocità angolare occorre configurare il trasduttore con un circuito che condiziona la sua uscita e ci consente inoltre di rilevare i valori misurati dall’oggetto. Nel circuito è presente un A.O non invertente con guadagno di 7,8 e alta R di ingresso, in serie con un rivelatore di picco avente un raddrizzatore di precisione a semplice semionda. Il rivelatore di picco fornisce una tensione continua ricavata dall’inviluppo del segnale raddrizzato il cui valore è funzione del numero di giri. CIRCUITO DI RILEVAMENTO:
-Rilevamento- Vs
-Amplificazione-Vu
-Circuito rivelatore-Vo