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| unita_14_1 [2019/10/08 08:38] – [Termistori] admin | unita_14_1 [2023/10/10 10:17] (versione attuale) – [Termocoppie] admin |
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| ====== Unità 1 - Sensori e trasduttori di misura ====== | ====== Unità 1 - Sensori e trasduttori di misura ====== |
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| **Premessa:** gli argomenti sono trattati anche nella materia di Elettrotecnica ed Elettronica | **Premessa:** Negli appunti sotto si fa ancora riferimento al testo di TPA di Tramontana non più in adozione ma gli argomenti sono trattati anche nella materia di Elettrotecnica ed Elettronica e nel suo libro di testo alla sezione 21A. |
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| ===== 1 Misure e vocabolario metrologico ===== | ===== 1 Misure e vocabolario metrologico ===== |
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| * trasduttore/sensore: trasforma una grandezza fisica in un segnale elettrico | * trasduttore/sensore: trasforma una grandezza fisica in un segnale elettrico |
| * quando i due termini non sono usati come sinonimi il sensore è l'elemento sensibile del trasduttore che contiene anche un circuito di interfaccia che produce il segnale elettrico in uscita (vedi esempio di figura 2) | * quando i due termini non sono usati come sinonimi il sensore è l'elemento sensibile del trasduttore che contiene anche un circuito di interfaccia che produce il segnale elettrico in uscita /* (vedi esempio di figura 2) */ |
| * perché usare segnali elettrici: possono essere amplificati, trasmessi, memorizzati ed elaborati | * perché usare segnali elettrici: possono essere amplificati, trasmessi, memorizzati ed elaborati |
| * esempi di impiego dei trasduttori: monitoraggio/visualizzazione (figura 4), controllo in retroazione di un sistema (figura 5) | * esempi di impiego dei trasduttori: monitoraggio/visualizzazione /*(figura 4)*/, controllo in retroazione di un sistema /*(figura 5)*/ |
| * classificazioni | * classificazioni |
| * in base alla grandezza fisica | * in base alla grandezza fisica |
| * autoriscaldamento (il sensore si riscalda per effetto Joule durante la misura) | * autoriscaldamento (il sensore si riscalda per effetto Joule durante la misura) |
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| Per le termoresistenze, come per gli altri trasduttori resistivi, si pone il problema di ottenere un segnale in tensione da una variazione di resistenza; una soluzione è quella di far circolare una corrente costante nel sensore per generare una caduta di tensione proporzionale al valore della resistenza (esistono più soluzioni circuitali a questo scopo). | Per le termoresistenze, come per gli altri trasduttori resistivi, si pone il problema di ottenere un segnale in tensione da una variazione di resistenza; una soluzione è quella di far circolare una corrente costante nel sensore per generare una caduta di tensione proporzionale al valore della resistenza (esistono più soluzioni circuitali a questo scopo). Una soluzione piuttosto comune è quella di usare un ponte di Wheatstone, ma in questo caso la relazione tra tensione e variazione di resistenza non è lineare (si veda ad esempio {{ ::nonlinearita_wheatstone.zip |questa simulazione}}); meglio usare il ponte resistivo linearizzato nella figura sotto, dove la relazione è invece lineare (si veda il paragrafo 5 di sezione 21A del testo di elettronica). |
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| Extra: | Extra: |
| | * [[https://www.omega.com/en-us/resources/rtd-2-3-4-wire-connections|tecniche di misura per PT100]] in inglese: influenza dei cavi di collegamento su R<sub>RTD</sub>, misura a ponte (tensione), collegamento a tre fili (ponte), non linearità della misura a ponte, misura a quattro fili (sorgente di corrente), calcoli (nello stesso sito ci sono confronti interessanti tra i vari sensori di temperatura) |
| | * [[https://en.wikipedia.org/wiki/Resistance_thermometer#Three-wire_configuration|condizionamento di una RTD a 3 fili con ponte di Wheatstone]] da wikipedia |
| | * dallo stesso produttore una [[https://it.omega.com/prodinfo/pt100.html|introduzione sulle termoresistenze]] in italiano |
| * [[https://docs.google.com/spreadsheets/d/1jrCvSm2KEZFe-v2ZtT_XSnMnz-KG_26Yiuby3MC40cQ/edit?usp=sharing|foglio di calcolo e grafico con la caratteristica di una Pt100]] | * [[https://docs.google.com/spreadsheets/d/1jrCvSm2KEZFe-v2ZtT_XSnMnz-KG_26Yiuby3MC40cQ/edit?usp=sharing|foglio di calcolo e grafico con la caratteristica di una Pt100]] |
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| /* | |
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| * {{ :pt100.zip |simulazione con Pt100 e circuito di condizionamento (0-100°C -> 0-10 V)}} | * {{ :pt100.zip |simulazione con Pt100 e circuito di condizionamento (0-100°C -> 0-10 V)}} |
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| */ | |
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| In figura una simulazione con ponte linearizzato e stadio invertente per Pt100. | In figura una simulazione con ponte linearizzato e stadio invertente per Pt100. |
| * NTC (//negative temperature coefficient//), dove la resistenza diminuisce all'aumentare della temperatura | * NTC (//negative temperature coefficient//), dove la resistenza diminuisce all'aumentare della temperatura |
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| I primi sono usati come dispositivi di protezione per sovracorrenti (vedi figura 9), i secondi come sensori di temperatura. | I primi sono usati come dispositivi di protezione per sovracorrenti /*(vedi figura 9)*/, i secondi come sensori di temperatura (vedi [[https://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor#PTC|pagina di wikipedia]]). |
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| La figura 9 mostra una possibile applicazione con termistore PTC: in caso di sovracorrente l'effetto Joule prova il riscaldamento del componente e un brusco aumento della resistenza del termistore; il punto di funzionamento si sposta dal tratto a pendenza positiva al punto P<sub>3</sub> limitando la corrente. | /* La figura 9 mostra una possibile applicazione con termistore PTC: in caso di sovracorrente l'effetto Joule prova il riscaldamento del componente e un brusco aumento della resistenza del termistore; il punto di funzionamento si sposta dal tratto a pendenza positiva al punto P<sub>3</sub> limitando la corrente. */ |
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| Gli NTC sono realizzati con ossidi metallici sinterizzati, materiali semiconduttori caratterizzati da un coefficiente di temperatura negativo (all'aumentare della temperatura si liberano dei portatori di carica determinando un calo della resistività). Le caratteristiche principali sono: | Gli NTC sono realizzati con ossidi metallici sinterizzati, materiali semiconduttori caratterizzati da un coefficiente di temperatura negativo (all'aumentare della temperatura si liberano dei portatori di carica determinando un calo della resistività). Le caratteristiche principali sono: |
| `R_T = R_(25) e ^(B(1/T - 1/298.15))` | `R_T = R_(25) e ^(B(1/T - 1/298.15))` |
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| dove R<sub>25</sub> è la resistenza a 25°C (corrispondenti a 298,15 gradi Kelvin), T è la temperatura misurata (in K) e B è un parametro che caratterizza l'NTC, sempre in K. La relazione tra resistenza e temperatura è dunque esponenziale, come mostrato in figura 11. In pratica le caratteristiche principali di un NTC sono riassunte dai due parametri: | dove R<sub>25</sub> è la resistenza a 25°C (corrispondenti a 298,15 gradi Kelvin), T è la temperatura misurata (in K) e B è un parametro che caratterizza l'NTC, sempre in K. La relazione tra resistenza e temperatura è dunque esponenziale /*, come mostrato in figura 11*/ . In pratica le caratteristiche principali di un NTC sono riassunte dai due parametri: |
| * R<sub>25</sub>, che indica la resistenza a temperatura ambiente | * R<sub>25</sub>, che indica la resistenza a temperatura ambiente |
| * la costante B, che dipende dal materiale | * la costante B, che dipende dal materiale |
| I due parametri sono riportati nei datasheet e nei cataloghi; la R<sub>25</sub> è desumibile anche dal codice colorato riportato sul componente. Dal punto di vista applicativo la scelta del termistore si in base al valore di resistenza richiesto, individuando una R<sub>25</sub> adatta, e alla sensibilità richiesta, con la costante B((vedi anche [[https://www.vishay.com/docs/29053/ntcappnote.pdf|Application note sui termistori NTC di Vishay]])). | I due parametri sono riportati nei datasheet e nei cataloghi; la R<sub>25</sub> è desumibile anche dal codice colorato riportato sul componente. Dal punto di vista applicativo la scelta del termistore si in base al valore di resistenza richiesto, individuando una R<sub>25</sub> adatta, e alla sensibilità richiesta, con la costante B((vedi anche [[https://www.vishay.com/docs/29053/ntcappnote.pdf|Application note sui termistori NTC di Vishay]])). |
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| | Extra: |
| | * [[http://www.vishay.com/docs/29049/ntcle100.pdf|datasheet]], [[https://www.vishay.com/docs/33001/seltherm.pdf|guida alla selezione]] e [[https://www.vishay.com/docs/29053/ntcappnote.pdf|application note]] di termistori NTC della Vishay |
| | * [[http://www.electroyou.it/isidorokz/wiki/dimensionamento-di-un-termostato-con-ntc|lungo approfondimento sui termistori]] da Electroyou.it |
| | * linearizzazione a tre punti: |
| | * {{ ::linearizzazione.pdf |paragrafo}} di un libro di testo sull'argomento((nel testo il termistore è un PTC ma la linearizzazione è comunque corretta)) (vedi anche [[http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00685b.pdf|application note]] Microchip figura 9) dove il calcolo della resistenza R<sub>L</sub> per la linearizzazione a tre punti, dati T<sub>max</sub> e T<sub>min</sub>, si fa calcolano T<sub>media</sub> e i tre valori della resistenza alle tre temperature, poi (uguagliando le variazioni di tensione rispetto a T<sub>media</sub>): `R_L=(R_(Tmed)(R_(Tmi\n)+R_(Tm\ax))-2R_(T\mi\n)R_(Tm\ax))/(R_(T\mi\n)+R_(Tm\ax)-2R_(Tmed))` |
| | * o usando una formula pratica ancora più semplice: `R_L=R_(Tmed)(B-2T_(med))/(B+2T_(med))` |
| | * [[https://docs.google.com/spreadsheets/d/1JQIMO_lBVA071XVqfk0t7gV79NnxVpF16tHzRWuUxrY/edit?usp=sharing|foglio di calcolo interattivo per linearizzazione a tre punti]] |
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| | /* |
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| | * [[https://docs.google.com/spreadsheets/d/132YTZxIAGM9SaGd2zUapQfLJSI2uN7VRCesj4HvxNWM/edit?usp=sharing|foglio di calcolo]] con un esempio di linearizzazione di una NTC |
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| | */ |
| ==== Termocoppie ==== | ==== Termocoppie ==== |
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| Le termocoppie sfruttando l'effetto termoelettrico (Seebeck) e sono fatte di due conduttori metallici diversi tra loro saldati ad un'estremità, detta //giunto caldo//, e liberi all'altra estremità, detta //giunto freddo//. Quando i due giunti si trovano a temperature diverse si genera una tensione, il cui valore dipende dalla differenza di temperatura, misurabile al giunto freddo, esprimibile come: | Le termocoppie sfruttano l'effetto termoelettrico (o effetto Seebeck) e sono fatte di due conduttori metallici diversi tra loro saldati ad un'estremità, detta //giunto caldo//, e liberi all'altra estremità, detta //giunto freddo//. Quando i due giunti si trovano a temperature diverse nel giunto freddo si genera una tensione, il cui valore dipende dalla differenza di temperatura, esprimibile come: |
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| `V= alpha Delta T` | `V= alpha Delta T` |
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| dove α è il coefficiente di Seebeck, espresso in μV/°C. La relazione non è lineare perché α cambia con la temperatura. | dove α è il coefficiente di Seebeck, espresso in μV/°C (la relazione non è lineare perché α cambia con la temperatura). |
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| Le termocoppie sono standardizzate; le varie tipologie si distinguono per per campo di temperatura e sensibilità (coefficiente α). Osservando la figura 13 notiamo come le termocoppie K (cromel-alumel((nichel-cromo e nichel-alluminio))) - le più usate - abbiano un range di temperatura elevato e una discreta sensibilità; quelle S (platino-rodio) - molto più costose - hanno un range ancora più elevato e un comportamento quasi lineare ma scarsa sensibilità. | Le termocoppie sono standardizzate e le varie tipologie si distinguono per per campo di temperatura e sensibilità (espressa dal coefficiente α). /*Osservando la figura 13 notiamo come le*/ Le termocoppie K (cromel-alumel((nichel-cromo e nichel-alluminio))) sono le più usate e hanno un range di temperatura elevato e una discreta sensibilità; quelle S (platino-rodio), molto più costose, hanno un range ancora più elevato e un comportamento quasi lineare ma scarsa sensibilità. |
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| L'utilizzo delle termocoppie pone una serie di problemi perché: | L'utilizzo delle termocoppie pone una serie di problemi perché: |
| */ | */ |
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| La linearizzazione del segnale è ottenuta con circuiti appositi negli strumenti dotati di termocoppia (anche i comuni tester). Inoltre i costruttori forniscono delle [[http://www.tempsens.com/pdf/materials/Thermocouple_type_K_table.pdf|tabelle]] per ogni tipologia di termocoppia (ad esempio tipo K) che riportano i valori di temperatura e tensione nell'ipotesi che il giunto freddo sia a 0°C. | La linearizzazione del segnale è ottenuta con appositi circuiti integrati negli strumenti dotati di termocoppia (ad esempio anche i multimetri). I costruttori forniscono anche delle [[https://it.omega.com/temperature/pdf/Type-K-Thermocouple-Reference-Table.pdf|tabelle]] per ogni tipologia di termocoppia che riportano i valori di temperatura associati alla tensione nell'ipotesi che il giunto freddo sia a 0°C. |
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| Per tener conto della temperatura del giunto freddo si può: | Per tener conto della temperatura del giunto freddo si può: |
| * mantenere il giunto freddo a 0°C (poco pratico, adatto per misure di laboratorio) | * mantenere il giunto freddo a 0°C (poco pratico, adatto al massimo per misure di laboratorio) |
| * misurare la temperatura del giunto freddo con altro sensore (NTC o a semiconduttore) | * misurare la temperatura del giunto freddo con un altro sensore (ad esempio un NTC o uno a semiconduttore) |
| * stimare la temperatura del giunto freddo (temperatura ambiente) accettando una certa imprecisione nella misura | * stimare la temperatura del giunto freddo (temperatura ambiente) accettando una certa imprecisione nella misura |
| * compensare la temperatura del giunto freddo sommando al segnale una tensione di valore opportuno | * compensare la temperatura del giunto freddo sommando al segnale una tensione di valore opportuno |
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| In commercio esistono integrati dedicati, come l'amplificatore per termocoppie [[http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-369.pdf|AD595]], che semplificano notevolmente l'utilizzo di questi sensori; questi integrati: | In commercio esistono integrati dedicati al condizionamento delle termocoppie che semplificano notevolmente l'utilizzo di questi sensori. Ad esempio l'amplificatore per termocoppie [[http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-369.pdf|AD595]] o l'AD8495 hanno queste caratteristiche: |
| * sono adatti ad un solo tipo di termocoppia | * sono adatti ad un solo tipo di termocoppia (J o K) |
| * linearizzano (parzialmente) il segnale (AD8495) | * linearizzano il segnale (solo l'AD8495 e parzialmente) |
| * compensano automaticamente la temperatura del giunto freddo (sensore a semiconduttore integrato) | * compensano automaticamente la temperatura del giunto freddo grazie a un sensore a semiconduttore integrato |
| * amplificano il segnale differenziale | * amplificano il segnale differenziale |
| * danno in uscita una tensione riferita a massa di 10mV/°C | * danno in uscita una tensione riferita a massa di 10mV/°C |
| * bassa precisione | * bassa precisione |
| * comportamento non-lineare | * comportamento non-lineare |
| | * sono sensibili alla differenza di temperatura e non alla temperatura assoluta |
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| | Extra: |
| | * [[http://www.epcb.it/guida_termocoppie.php]] |
| | * [[https://it.omega.com/prodinfo/termocoppie.html]] |
| | * [[http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-369.pdf|application note della AD]] |
| | * [[https://www.wika.ca/upload/DS_IN0023_it_it_54291.pdf|informazioni tecniche (chiare e sintetiche) del produttore wika]] |
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| ==== Trasduttori di temperatura integrati ==== | ==== Trasduttori di temperatura integrati ==== |
| L'unico limite è il range di temperatura, compreso tra -50 e 150 °C. | L'unico limite è il range di temperatura, compreso tra -50 e 150 °C. |
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| Tra i tanti trasduttori integrati in commercio((ne esistono anche con uscita digitale)) due soluzioni classiche sono l'[[https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad590.pdf|AD590]] e l'[[http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf|LM35]]. Il primo è un sensore in corrente mentre il secondo è in tensione. Entrambi si alimentano con una tensione tra 4 e 30 Volt. L'AD590 fornisce 1μA/K di corrente (273 μA a 0°C) mentre LM35 10mV/°C (0 mV a 0°C). L'AD590 è da preferire quando il sensore è lontano perché presenta una maggiore immunità ai disturbi e non è influenzato da eventuali cadute di tensione. Il secondo, oltre ad essere più economico, è più pratico da usare perché produce un segnale in tensione più facile da utilizzare e proporzionale alla temperatura in gradi Celsius invece che Kelvin. L'LM35 ha bisogno di un alimentazione negativa per temperature inferiori a 0°C (figura 21). Il segnale dell'AD590 può essere facilmente convertito in tensione con il circuito di figura 20 provocando una caduta di tensione su un resistore di precisione e usando un amplificatore non invertente (la tensione V<sub>ref</sub> serve ad aggiungere un offset per avere 0 Volt a 0 °C). Nella figura seguente la simulazione del circuito dove la Vref è ottenuta con un regolatore LM317 (0V a 0°C e 5V a 100°C). | Tra i tanti trasduttori integrati in commercio((ne esistono anche con uscita digitale)) due soluzioni classiche sono l'[[https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad590.pdf|AD590]] e l'[[http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf|LM35]]. Il primo è un sensore in corrente mentre il secondo è in tensione. Entrambi si alimentano con una tensione tra 4 e 30 Volt. L'AD590 fornisce 1μA/K di corrente (273 μA a 0°C) mentre LM35 10mV/°C (0 mV a 0°C). L'AD590 è da preferire quando il sensore è lontano perché presenta una maggiore immunità ai disturbi e non è influenzato da eventuali cadute di tensione. Il secondo, oltre ad essere più economico, è più pratico da usare perché produce un segnale in tensione più facile da utilizzare e proporzionale alla temperatura in gradi Celsius invece che Kelvin. L'LM35 ha bisogno di un alimentazione negativa per temperature inferiori a 0°C /* (figura 21) */. Il segnale dell'AD590 può essere facilmente convertito in tensione /* con il circuito di figura 20 */ provocando una caduta di tensione su un resistore di precisione e usando un amplificatore non invertente (la tensione V<sub>ref</sub> serve ad aggiungere un offset per avere 0 Volt a 0 °C). Nella figura seguente la simulazione del circuito dove la Vref è ottenuta con un regolatore LM317 (0V a 0°C e 5V a 100°C). La simulazione è disponibile {{ ::condizionamento_ad590.zip |qui}}. |
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| {{::ad590-lm317.png?400|AD590 e circuito di condizionamento}} | {{::ad590-lm317.png?400|AD590 e circuito di condizionamento}} |
| Il dimensionamento si fa considerando una variazione di 100μA (corrispondente all'intervallo di temperatura tra 0 e 100°C) a cui devono corrispondere 5V in uscita. R<sub>2</sub> si dimensiona in modo da ottenere un campo di regolazione per la corrente che comprenda i 273μA da sottrarre. | Il dimensionamento si fa considerando una variazione di 100μA (corrispondente all'intervallo di temperatura tra 0 e 100°C) a cui devono corrispondere 5V in uscita. R<sub>2</sub> si dimensiona in modo da ottenere un campo di regolazione per la corrente che comprenda i 273μA da sottrarre. |
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| | Nella figura sotto vediamo invece un circuito di condizionamento per LM35 che dà 0 Volt a 10°C e 10 Volt a 50°C. |
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| | {{::condizionamentolm35.png|}} |
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| | Il partitore sulla sinistra produce un valore di tensione che introduce un offeset nel segnale in uscita, altrimenti si avrebbero 0 Volt a 0°C. Il buffer evita di caricare il partitore di tensione. In questa soluzione si applica il principio di sovrapposizione degli effetti considerando prima il solo segnale dell'LM35 - quindi una configurazione da amplificatore non invertente con 0 Volt in uscita al buffer - poi la sola tensione in uscita al buffer (configurazione da amplificatore invertente con 0 Volt in uscita al LM35). |
| ==== Extra ==== | ==== Extra ==== |
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| Risorse utili: | Risorse utili: |
| * {{ ::condizionamento_e_ponte_di_wheatstone.pdf |esercizi}} sul condizionamento di sensori resistivi a ponte | * {{ ::condizionamento_e_ponte_di_wheatstone.pdf |esercizi}} sul condizionamento di sensori resistivi a ponte |
| * [[https://www.omega.com/techref/rtd-measurement-and-theory.html|tecniche di misura per PT100]]: influenza dei cavi di collegamento su R<sub>RTD</sub>, misura a ponte (tensione), collegamento a tre fili (ponte), non linearità della misura a ponte, misura a quattro fili (sorgente di corrente), calcoli | |
| * [[http://www.vishay.com/docs/29049/ntcle100.pdf|datasheet]], [[https://www.vishay.com/docs/33001/seltherm.pdf|guida alla selezione]] e [[https://www.vishay.com/docs/29053/ntcappnote.pdf|application note]] di termistori NTC della Vishay | |
| * [[http://www.electroyou.it/isidorokz/wiki/dimensionamento-di-un-termostato-con-ntc|approfondimento sui termistori]] da Electroyou.it | |
| * linearizzazione a tre punti: | |
| * {{ ::linearizzazione.pdf |paragrafo}} di un libro di testo sull'argomento (vedi anche [[http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00685b.pdf|application note]] Microchip) | |
| * [[https://docs.google.com/spreadsheets/d/132YTZxIAGM9SaGd2zUapQfLJSI2uN7VRCesj4HvxNWM/edit?usp=sharing|foglio di calcolo]] con un esempio di linearizzazione di una NTC | |
| * il calcolo della resistenza R<sub>L</sub> per la linearizzazione a tre punti, dati T<sub>max</sub> e T<sub>min</sub>, si fa calcolano T<sub>media</sub> e i tre valori della resistenza alle tre temperature, poi (uguagliando le variazioni di tensione rispetto a T<sub>media</sub> o usando una formula pratica): | |
| * `R_L=(R_(Tmed)(R_(Tmi\n)+R_(Tm\ax))-2R_(T\mi\n)R_(Tm\ax))/(R_(T\mi\n)+R_(Tm\ax)-2R_(Tmed))` | |
| * `R_L=R_(Tmed)(B-2T_(med))/(B+2T_(med))` | |
| * [[https://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=8xX2SVcItOA|video]] su carico/generatore a corrente costante dal canale EEVBlog di youtube | * [[https://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=8xX2SVcItOA|video]] su carico/generatore a corrente costante dal canale EEVBlog di youtube |
| * [[https://akizukidenshi.com/download/ds/aosong/DHT11.pdf|DTH11]], un sensore digitale low-cost ([[https://learn.adafruit.com/dht/overview|qui]] la guida di adafruit per usarlo) | * [[https://akizukidenshi.com/download/ds/aosong/DHT11.pdf|DTH11]], un sensore digitale low-cost ([[https://learn.adafruit.com/dht/overview|qui]] la guida di adafruit per usarlo) |
| ===== 4 Sensori estensimetrici ===== | ===== 4 Sensori estensimetrici ===== |
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| Gli estensimetri - o sensori estensimetrici o //strain guage// ma anche //strain gage// - convertono una deformazione meccanica in una variazione di resistenza. Sono realizzati disponendo un conduttore (metallico o semiconduttore((quelli a semiconduttore hanno sensibilità maggiore ma sono più costosi e fragili)) ) a serpentina su un supporto isolante flessibile come mostrato in figura 23. | Gli [[wpi>Estensimetro|estensimetri]] - o sensori estensimetrici o //strain gauge// ma anche //strain gage// - convertono una deformazione meccanica in una variazione di resistenza. Sono realizzati disponendo un conduttore (metallico o semiconduttore((quelli a semiconduttore hanno sensibilità maggiore ma sono più costosi e fragili)) ) a serpentina su un supporto isolante flessibile /* come mostrato in figura 23*/ . |
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| Considerato che nei conduttori di sezione circolare vale la relazione: | Considerato che nei conduttori di sezione circolare vale la relazione: |
| dove il fattore di deformazione K<sub>E</sub> esprime la sensibilità dell'estensimetro e gli altri due termini sono variazioni relative di resistenza e lunghezza. | dove il fattore di deformazione K<sub>E</sub> esprime la sensibilità dell'estensimetro e gli altri due termini sono variazioni relative di resistenza e lunghezza. |
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| Gli estensimetri vengono spesso utilizzati in strutture a ponte come mostrato in //figura 25//. Se usati a coppie o a gruppi di quattro si ha: | Gli estensimetri vengono spesso utilizzati in strutture a ponte, come mostrato in figura: |
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| | {{::ponte_estensimetro1.png|ponte estensimetrico}} |
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| | Se usati a coppie o a gruppi di quattro si ha: |
| * un aumento della sensibilità, se le deformazioni dei due estensimetri avvengono in senso opposto | * un aumento della sensibilità, se le deformazioni dei due estensimetri avvengono in senso opposto |
| * la compensazione degli errori causati dalla dipendenza della resistenza dalla temperatura (che coinvolge tutti gli estensimetri) | * la compensazione degli errori causati dalla dipendenza della resistenza dalla temperatura (che coinvolge tutti gli estensimetri) |
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| Nel circuito di figura 25a la tensione V<sub>d</sub>, dipendente dalla deformazione dell'unico estensimetro di resistenza R<sub>x</sub> si ottiene((la dimostrazione nel testo esprime V<sub>d</sub> come differenza tra due potenziali calcolati con un partitore di tensione e sostituisce R0(1+x) al posto di Rx)) come: | Nel circuito /* di figura 25a */ a ponte con un solo estensimetro la tensione V<sub>d</sub>, dipendente dalla deformazione dell'unico estensimetro di resistenza R<sub>x</sub> si ottiene((la dimostrazione nel testo esprime V<sub>d</sub> come differenza tra due potenziali calcolati con un partitore di tensione e sostituisce R0(1+x) al posto di Rx)) come: |
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| `V_d=V_g x/(4+2x)` | `V_d=V_g x/(4+2x)` |
| che è invece lineare. | che è invece lineare. |
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| Nel caso in cui si impieghino due estensimetri che si deformano (figura 25b) la sensibilità migliora e si ha: | Nel caso in cui si impieghino due estensimetri che si deformano /* (figura 25b) */ la sensibilità migliora e si ha: |
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| `V_d = V_g/2 x = V_g/2 K_E (Delta l)/l_0` | `V_d = V_g/2 x = V_g/2 K_E (Delta l)/l_0` |
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| Infine se si usano quattro estensimetri che si deformano (figura 25c) a coppie in direzioni opposte si ha: | Infine se si usano quattro estensimetri che si deformano /* (figura 25c) */ a coppie in direzioni opposte si ha: |
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| `V_d = V_g x = V_g K_E (Delta l)/l_0` | `V_d = V_g x = V_g K_E (Delta l)/l_0` |
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| Un circuito alternativo è quello di figura 25d, detto ponte resistivo linearizzato. Questo circuito ha il vantaggio di produrre una tensione riferita a massa - non serve un amplificatore differenziale come nei circuiti a ponte - direttamente proporzionale alla ΔR((si può dimostrare come propone il testo o osservando che il sensore è alimentato con una corrente costante Vg/2R0 (nell'ipotesi V+ = V-) )): | Un circuito alternativo è /* quello di figura 25d, detto */ il ponte resistivo linearizzato. Questo circuito ha il vantaggio di produrre una tensione riferita a massa - non serve un amplificatore differenziale come nei circuiti a ponte - direttamente proporzionale alla ΔR((si può dimostrare come propone il testo o osservando che il sensore è alimentato con una corrente costante Vg/2R0 (nell'ipotesi V+ = V-) )): |
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| `V_O=-V_g/2 x` | `V_O=-V_g/2 x` |
| ==== Celle di carico ==== | ==== Celle di carico ==== |
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| I ponti estensimetrici, disposti opportunamente lungo una trave che si deforma, sono utilizzati per misurare le forze (ad esempio il peso nelle bilance elettroniche); in questo caso il trasduttore completo viene detto **cella di carico**. La figura 26a mostra una cella di carico che sfrutta due estensimetri che si deformano in maniera opposta; la figura 26b una trave con un solo estensimetro. | I ponti estensimetrici, disposti opportunamente lungo una trave che si deforma, sono utilizzati per misurare le forze (ad esempio il peso nelle bilance elettroniche); in questo caso il trasduttore completo viene detto **cella di carico**. |
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| | {{ ::cella_di_carico_e_ina111.zip |Qui}} una simulazione con cella di carico (simulata da un generatore da 5 mV), amplificatore per strumentazione INA111 e ulteriore stadio di amplificazione. |
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| | /* La figura 26a mostra una cella di carico che sfrutta due estensimetri che si deformano in maniera opposta; la figura 26b una trave con un solo estensimetro. */ |
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| /* | |
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| Risorse: | |
| * [[http://www.epcb.it/guida_termocoppie.php]] | |
| * [[https://it.omega.com/prodinfo/termocoppie.html]] | |
| * [[http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-369.pdf|application note della AD]] | |
| * [[https://www.wika.us/upload/DS_IN0023_it_it_54291.pdf|informazioni tecniche (chiare e sintetiche) del produttore wika]] | |
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| */ | |
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| ===== 5 Trasduttori di posizione e di velocità ===== | ===== 5 Trasduttori di posizione e di velocità ===== |
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| | Vedi anche la {{ ::sez_21d.pdf |sezione 21D}} dal libro di testo di elettronica. |
| ==== Potenziometro ==== | ==== Potenziometro ==== |
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| Un potenziometro può essere usato come sensore di posizione considerando che la resistenza tra il morsetto centrale e uno dei due estremi dipende dalla posizione del contatto mobile, quindi del cursore. Alimentando un potenziometro a tensione costante, come in figura 28, si può ottenere un segnale in tensione che dipende dalla posizione. Considerando anche la resistenza R<sub>i</sub> dello strumento che rileva la tensione si ottiene una relazione tra tensione e posizione non lineare. Nel caso ideale, con resistenza R<sub>i</sub> infinita, la relazione diventa lineare: | Un potenziometro può essere usato come sensore di posizione considerando che la resistenza tra il morsetto centrale e uno dei due estremi dipende dalla posizione del contatto mobile, quindi del cursore. Alimentando un potenziometro a tensione costante /*, come in figura 28,*/ si può ottenere un segnale in tensione che dipende dalla posizione. Considerando anche la resistenza R<sub>i</sub> dello strumento che rileva la tensione si ottiene una relazione tra tensione e posizione non lineare. Nel caso ideale, con resistenza R<sub>i</sub> infinita, la relazione diventa lineare: |
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| `V_O = V_(\C\C)/L L_x` | `V_O = V_(\C\C)/L L_x` |
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| La figura 29 mostra un confronto tra le due condizioni, ideale e non. | /*La figura 29 mostra un confronto tra le due condizioni, ideale e non.*/ |
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| I potenziometri sono usati come trasduttori di posizione nei [[wp>Servo_(radio_control)|servomotori RC]]. Si tratta di una soluzione semplice ed economica ma poco robusta (i contatti si usurano nel tempo e c'è attrito nel funzionamento). | I potenziometri sono usati come trasduttori di posizione nei [[wp>Servo_(radio_control)|servomotori RC]]. Si tratta di una soluzione semplice ed economica ma poco robusta (i contatti si usurano nel tempo e c'è attrito nel funzionamento). |
| ==== Trasformatore differenziale ==== | ==== Trasformatore differenziale ==== |
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| Per rilevare piccoli spostamenti si può usare un trasformatore differenziale. Il principio di funzionamento è illustrato nella figura 30a: un trasformatore con un avvolgimento primario e due secondari presenta un nucleo magnetico mobile. Spostando il nucleo in uno dei due secondari si ha un aumento di tensione mentre nell'altro | Per rilevare piccoli spostamenti si può usare un trasformatore differenziale. Il principio di funzionamento è /*illustrato nella figura 30a**/questo: un trasformatore con un avvolgimento primario e due secondari presenta un nucleo magnetico mobile. Spostando il nucleo in uno dei due secondari si ha un aumento di tensione mentre nell'altro |
| una diminuzione. La tensione V<sub>O</sub>, nulla quando le due tensioni nei secondari sono uguali((notare i pallini neri che indicano che i due secondari siano avvolti in modo da presentare tensioni di verso opposto)), assume un valore dipendente dalla posizione del nucleo. | una diminuzione. La tensione V<sub>O</sub>, nulla quando le due tensioni nei secondari sono uguali((notare i pallini neri che indicano che i due secondari siano avvolti in modo da presentare tensioni di verso opposto)), assume un valore dipendente dalla posizione del nucleo. |
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| | {{::trasformatore_differenziale.jpg|trasformatore differenziale}} |
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| Questa soluzione è caratterizzata da: | Questa soluzione è caratterizzata da: |
| * alimentazione in alternata senza elettronica, con svantaggi e vantaggi (range di temperature molto grande ma più complicato nell'utilizzo) | * alimentazione in alternata senza elettronica, con svantaggi e vantaggi (range di temperature molto grande ma più complicato nell'utilizzo) |
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| ==== Microsyn, syncro e dinamo tachimetrica ==== | ==== Dinamo tachimetrica ==== |
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| Sono in disuso soppiantati dagli encoder. | Sono in disuso soppiantati dagli encoder. |
| ==== Trasduttori a effetto Hall ==== | ==== Trasduttori a effetto Hall ==== |
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| Sono usati come sensori di prossimità. Sfruttano un fenomeno per cui un materiale semiconduttore attraversato da corrente genera una tensione quando sottoposto ad un campo magnetico perpendicolare. Questo tipo di sensore è disponibile in forma integrata con un circuito di condizionamento in grado di fornire un segnale proporzionale al campo magnetico oppure on/off. | Sono usati come sensori di prossimità. Sfruttano un fenomeno - l'[[wpi>Effetto_Hall]](([[https://en.wikipedia.org/wiki/File:Hall_Sensor.webm|qui]] un'animazione che illustra il principio di funzionamento)) - per cui un materiale semiconduttore attraversato da corrente genera una tensione quando sottoposto ad un campo magnetico perpendicolare. Questo tipo di sensore è disponibile in forma integrata con un circuito di condizionamento in grado di fornire un segnale proporzionale al campo magnetico oppure on/off. |
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| I sensori ad effetto Hall sono: | I sensori ad effetto Hall sono: |
| ==== Encoder ==== | ==== Encoder ==== |
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| Gli encoder sono trasduttori secondari di velocità e posizione. La figura 35 mostra il principio di funzionamento di un encoder tachimetrico: | Gli encoder sono trasduttori secondari di velocità e posizione. /*La figura 35 mostra il*/ Il principio di funzionamento di un encoder tachimetrico: |
| * un disco forato (o con zone trasparenti e opache), interposto tra un LED e un fototransistor(( insieme formano un fotoaccoppiatore)), ruota in maniera solidale con l'albero | * un disco forato (o con zone trasparenti e opache), interposto tra un LED e un fototransistor(( insieme formano un fotoaccoppiatore)), ruota in maniera solidale con l'albero |
| * mentre il disco gira il raggio luminoso colpisce alternativamente il fototransistor | * mentre il disco gira il raggio luminoso colpisce alternativamente il fototransistor |
| * la velocità di rotazione è proporzionale alla frequenza del segnale in tensione | * la velocità di rotazione è proporzionale alla frequenza del segnale in tensione |
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| In particolare per un disco con //n// fori la velocità in giri al minuto si calcola con: | {{::encoder_tachimetrico.png|encoder tachimetrico}} |
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| `n = f/n 60` | In particolare per un disco con //N// fori la velocità in giri al minuto si calcola con: |
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| Quello appena descritto è il principio di funzionamento dell'**encoder tachimetrico**, che è in grado di misurare solo la velocità. L'**encoder incrementale**, con due corone di fori e due coppie LED-fototransistor, permette di ottenere anche il verso di rotazione. Con le due corone disposte come in figura 36 si ottengono due segnali detti fase A e fase B in quadratura, cioè sfasati tra loro di un quarto di periodo. Se il disco ruota in senso orario la fase A è in anticipo rispetto alla fase B, se ruota in senso antiorario la fase A è in ritardo. Un segnale digitale che rappresenta il senso di rotazione si può ottenere con un flip-flop D collegato come in figura 37, con la fase B usata come clock. Osservando i diagrammi temporali di figura 36 si vede come l'uscita del flip-flop sia alta quando il disco ruota in senso orario e bassa quando ruota in senso antiorario. | `n = f/N 60` |
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| Se si desidera conoscere la posizione assoluta dell'albero è necessario utilizzare un **encoder assoluto**, come quello di figura 38. In questo tipo di encoder sono presenti più corone/tracce con zone opache e trasparenti e più coppie LED-fototransistor. La posizione dell'albero è individuata dal codice binario prodotto dai fototransistor che, per come sono realizzate le varie tracce, è unica per ogni posizione o settore del disco. Nell'esempio in figura si vede che sono presenti quattro tracce e quindi quattro segnali che combinati formano una parola di 4 bit che codifica 2<sup>4</sup>=16 diverse posizioni secondo il codice Gray((si usa il codice Gray, dove tra due combinazioni successive cambia sempre solo un bit, per evitare errori di lettura)). | In questo video una dimostrazione del funzionamento di un ecoder tachimetrico. |
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| | {{vimeo>499941360}} |
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| | Quello appena descritto è il principio di funzionamento dell'**encoder tachimetrico**, che è in grado di misurare solo la velocità. L'**encoder incrementale**, con due corone di fori e due coppie LED-fototransistor, permette di ottenere anche il verso di rotazione (vedi [[https://www.youtube.com/watch?v=zzHcsJDV3_o|questo video]] per una veloce spiegazione del principio di funzionamento). Con le due corone sfasate tra loro /*disposte *come in figura 36*/ si ottengono due segnali detti fase A e fase B in quadratura, cioè sfasati tra loro di un quarto di periodo. Se il disco ruota in senso orario la fase A è in anticipo rispetto alla fase B, se ruota in senso antiorario la fase A è in ritardo. Un segnale digitale che rappresenta il senso di rotazione si può ottenere con un flip-flop D /*collegato come in figura 37,*/ con la fase B usata come clock. Osservando i diagrammi temporali /*di figura 36*/ si vede come l'uscita del flip-flop sia alta quando il disco ruota in senso orario e bassa quando ruota in senso antiorario. |
| | L'encoder incrementale è usato nei mouse per ottenere la rotazione relativa della rotella montata sul tasto centrale. Nei mouse non ottici che si usavano anni si usavano altri due encoder montati su dei rulli mossi da una pallina posta sul lato inferiore per ottenere lo spostamento lungo le coordinate x e y. |
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| | {{::mouse-encoder.jpg|mouse non ottico con tre encoder incrementali}} |
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| | Se si desidera conoscere la posizione assoluta dell'albero è necessario utilizzare un **encoder assoluto** /*, come quello di figura 38*/. In questo tipo di encoder sono presenti più corone/tracce con zone opache e trasparenti e più coppie LED-fototransistor. La posizione dell'albero è individuata dal codice binario prodotto dai fototransistor che, per come sono realizzate le varie tracce, è unica per ogni posizione o settore del disco. /*Nell'esempio in figura si vede che*/ |
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| | {{::encoder_assoluto.jpg|encoder assoluto}} |
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| | In figura un encoder assoluto con cinque tracce; i cinque segnali digitali formano una parola di 5 bit che codifica 2<sup>5</sup>=32 diverse posizioni secondo il codice Gray((si usa il codice Gray, dove tra due combinazioni successive cambia sempre solo un bit, per evitare errori di lettura)). |
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| ===== 6 Sensori capacitivi ===== | ===== 6 Sensori capacitivi ===== |
| dove //S// è la superficie, //d// la distanza tra le armature e //ε// la costante dielettrica dell'isolante tra le due armature. I sensori capacitivi sono realizzati in modo da sfruttare la variazione di uno - o più di uno - dei tre parametri per produrre una variazione di capacità. Ad esempio: | dove //S// è la superficie, //d// la distanza tra le armature e //ε// la costante dielettrica dell'isolante tra le due armature. I sensori capacitivi sono realizzati in modo da sfruttare la variazione di uno - o più di uno - dei tre parametri per produrre una variazione di capacità. Ad esempio: |
| * in un sensore di umidità o di gas cambia il dielettrico: in condizioni normali il dielettrico è l'aria, in presenza di gas (o umidità) la costante dielettrica cambia | * in un sensore di umidità o di gas cambia il dielettrico: in condizioni normali il dielettrico è l'aria, in presenza di gas (o umidità) la costante dielettrica cambia |
| * in un sensore di livello (figura 39) le armature sono parzialmente immerse in un serbatoio e il sensore si comporta come due condensatori in parallelo con dielettrico e capacità diverse; quando cambia il livello del liquido cambiano le due capacità, quindi la capacità risultante | * in un sensore di livello /*(figura 39)*/ le armature sono parzialmente immerse in un serbatoio e il sensore si comporta come due condensatori in parallelo con dielettrico e capacità diverse; quando cambia il livello del liquido cambiano le due capacità, quindi la capacità risultante |
| * nei sensori di posizione si sfrutta il movimento di una delle due armature (figura 41a e 41c) o del dielettrico (figura 41b) per produrre una variazione della capacità | * nei sensori di posizione si sfrutta il movimento di una delle due armature /*(figura 41a e 41c)*/ o del dielettrico /*(figura 41b)*/ per produrre una variazione della capacità |
| * il sensore di figura 42 sfrutta lo stesso principio nel caso di movimenti rotatori invece che lineari | * il sensore di pressione /* di figura 43a */ sfrutta il movimento di una delle due armature, una membrana mobile, per produrre una variazione di capacità |
| * il sensore di pressione di figura 43a sfrutta il movimento di una delle due armature, una membrana mobile, per produrre una variazione di capacità | * i sensori di capacità differenziale, con tre armature, si comportano come due condensatori la cui capacità cambia in seguito allo spostamento di un armatura /* (quella centrale in figura 44, quella superiore in figura 45) */ per misurare vibrazioni, accelerazioni o piccoli spostamenti |
| * i sensori di capacità differenziale, con tre armature, si comportano come due condensatori la cui capacità cambia in seguito allo spostamento di un armatura (quella centrale in figura 44, quella superiore in figura 45) per misurare vibrazioni, accelerazioni o piccoli spostamenti | |
| | Nella figura seguente un circuito con 555 (R1 1.8k R2 6.8k C 1nF) per il condizionamento di un sensore di livello capacitivo. |
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| | {{::555capacitivo.jpg?400|}} |
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| | L'alimentazione è in basso, i due elttrodi del sensore si collegano in basso a sinistra mettendo in parallelo il valore di capacità del sensore con quella del condensatore da 1nF, l'uscita è in alto a destra. |
| ===== Navigazione ===== | ===== Navigazione ===== |
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