Sensori e trasduttori
APPROFONDIMENTO LM35 & AD590,TERMOCOPPIE
Cosa è un sensore: Un sensore è un particolare trasduttore utilizzato per sentire le condizioni operative di una macchina o di un processo. Esso trasforma una grandezza fisica in un'altra equivalente, di solito appartenente al dominio fisico proprio dell'unità di governo (elettrico,idraulico) che deve poi elaborarne il contenuto informativo.Spesso il sensore acquisisce soltanto l'informazione (tutta o in parte), cioè la grandezza di uscita non possiede le stesse caratteristiche energetiche possedute da quella originaria. Cosa è un trasduttore: Un trasduttore è un dispositivo che genera un segnale elettrico correlato con una grandezza fisica, o più in generale con una modificazione qualsiasi si voglia dell’ambiente circostante. Un dispositivo capace di produrre un effetto fisico quando gli venga fornito un segnale elettrico si dice attuatore. Alcuni trasduttori sono reversibili, cioè possono funzionare come sensori o come attuatori. I trasduttori sono largamente utilizzati per il rilevamento della temperatura.Le tecniche di rilevamento sono basate su diversi principi fisici come ad esempio la dilatazione dei corpi,l'effetto termoelettrico e l'effetto termico. Le principali caratteristiche di un trasduttore si possono classificare nel seguente modo: Campo di funzionamento: è l’intervallo di valori che il trasduttore può accettare conservandone le caratteristiche di precisione senza che esso sia danneggiato. Risoluzione o potere risolutivo: in un trasduttore l’uscita non varia mai con continuità ma presenta sempre una discontinuità, tra un valore e il successivo. Quindi si ha un andamento a gradino perciò si verifica che a due valori d’ingresso diversi, corrisponde una stessa uscita. Precisione dello strumento: è il massimo errore assoluto che si ha nel campo di misura e il massimo valore misurabile. Linearità: un trasduttore si definisce lineare quando la curva rappresentante il legame tra ingresso ed uscita è una retta. Sensibilità: viene definita come sensibilità il rapporto tra la variazione della grandezza in uscita e la variazione della grandezza in ingresso: S=D u/D i. Tempo di risposta: si definisce come tempo di risposta il tempo necessario affinchè l’uscita raggiunga, senza oscillazioni, un valore pari al 90% del valore a regime. Vita di un trasduttore: è il tempo oltre il quale non è più garantito il corretto funzionamento del trasduttore Trasduttore di temperatura: I trasduttori sono largamente utilizzati per il rilevamento della temperatura. Le tecniche di rilevamento sono basate su diversi principi fisici come ad esempio la dilatazione dei corpi,l'effetto termoelettrico e l'effetto termico. Un trasduttore di temperatura è un dispositivo in grado di trasformare un valore di temperatura in un corrispondente valore di resistenza elettrica.Un trasduttore di temperatura deve avere (come tutti i trasduttori) due caratteristiche essenziali la linearità ,e la costanza nel tempo. Per avere ciò i sensori basati sul principio della dilatazione dei metalli come la lamina bimetallica e il termometro trasforma una differenza di temperatura in una differenza di potenziale elettrico.Essa è formata da due conduttori metallici saldati ad un estremità.Il punto di saldatura è detto il giunto caldo ,l'altro giunto freddo ed è qui che si preleva la differenza di potenziale.
Termistori: Un termistore è un sensore utilizzato per convertire una temperatura in un valore rappresentativo di corrente elettrica. 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. Termocoppie: La termocoppia è un sensore di temperatura largamente diffuso. In particolare le termocoppie sono ampiamente utilizzate perché economiche, facilmente sostituibili, standardizzate e possono misurare un ampio intervallo di temperature. La termocoppia è costituita da un circuito elettrico formato da due conduttori metallici di differente materiale saldati insieme alle loro estremità . In presenza di una differenza di temperatura tra le due giunzioni , per l' effetto Seebeck, si genera un loop di corrente e quindi, nel caso in cui venga aperta una delle due giunzioni, una forza elettromotrice ( emf ). La polarizzazione e l'intensità di questa forza elettromotrice dipende unicamente dalla tipologia dei due metalli e dalla temperatura a cui sono sottoposte le due giunzioni. La giunzione che è esposta alla temperatura da misurare è detta giunto caldo o giunto di misura mentre la giunzione tra i conduttori della termocoppia ed il circuito di misura è detta giunto freddo o giunto di riferimento. Per misurare una temperatura con una termocoppia bisogna che il giunto di riferimento sia ad una temperatura nota ( solitamente 0° ) in modo che la fem generata dipenda unicamente dalle temperatura del giunto di misura. Il tipo di termocoppia dipende dai metalli che ne costituiscono i conduttori
Esempio di termocoppia
Le termocoppie generalmente utilizzate sono di tre tipi le cui caratteristiche sono descritte nei punti sottostanti: -Tipo K (nichel-cromo/nichel-alluminio): Il tipo K è la termocoppia “per tutti gli usi„. È basso costo ed a causa della relativa popolarità è disponibile in un'ampia varietà di sonde. Le termocoppie sono disponibili da -200°C a +1200°C. La sensibilità è approssimativamente 41μV/°C. -Tipo T (rame/costantana): questo tipo di termocoppia è resistente alla corrosione in ambiente umido e può essere usata per temperature inferiori allo zero Celsius. La loro sensibilità e dell’ordine di 48,2 µV/°C. -Tipo J (ferro/costantana): per temperature superiori ai 540 oC il ferro tende ad ossidarsi; naturalmente è possibile lavorare in ambiente privo di ossigeno a temperature superiori ai 540 oC. Questo tipo di termocoppia non può essere usate sopra i 760°C perché c’è la transizione magnetica che fa perdere la calibrazione. La loro sensibilità e dell’ordine di 51,7 µV/°C.
Trasduttori AD590 E LM35 LM35: L’LM35 è un trasduttore di temperatura che presenta tre terminali: +Vs (tensione positiva), Vout (tensione che fornisce in uscita) e GND (massa). Esso ci consente di rilevare una temperatura in un campo di escursione che va da 0°C a 100°C e fornisce in uscita una tensione che va da 0V a 1V.La caratterica di questo trasduttore è quella di fornire in uscita una tensione che è data dal prodotto tra la temperatura rilevata e una costante K pari a 10*10-3: Vout=K*T=10*10-3*T Ad esempio, se abbiamo una temperatura di 20°C, il trasduttore fornirà in un uscita una tensione di 200mV: T=20°C Vout=10*10-3*20=200mV
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 mA/K. 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.