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| unita_14_1 [2021/01/11 10:11] – [Encoder] admin | unita_14_1 [2023/10/10 10:17] (versione attuale) – [Termocoppie] admin |
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| * [[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 | * [[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 | * [[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]] | * 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]] |
| * {{ :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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| * [[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.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 | * [[http://www.electroyou.it/isidorokz/wiki/dimensionamento-di-un-termostato-con-ntc|lungo approfondimento sui termistori]] da Electroyou.it |
| * linearizzazione a tre punti: | * 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) | * {{ ::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))` |
| * [[https://docs.google.com/spreadsheets/d/132YTZxIAGM9SaGd2zUapQfLJSI2uN7VRCesj4HvxNWM/edit?usp=sharing|foglio di calcolo]] con un esempio di linearizzazione di una NTC | * o usando una formula pratica ancora più semplice: `R_L=R_(Tmed)(B-2T_(med))/(B+2T_(med))` |
| * 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): | * [[https://docs.google.com/spreadsheets/d/1JQIMO_lBVA071XVqfk0t7gV79NnxVpF16tHzRWuUxrY/edit?usp=sharing|foglio di calcolo interattivo per linearizzazione a tre punti]] |
| * `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))` | |
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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*/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 [[https://it.omega.com/temperature/pdf/Type-K-Thermocouple-Reference-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: | Extra: |
| * [[https://it.omega.com/prodinfo/termocoppie.html]] | * [[https://it.omega.com/prodinfo/termocoppie.html]] |
| * [[http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-369.pdf|application note della AD]] | * [[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]] | * [[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 ==== |
| 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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| Un circuito di condizionamento con LM35 è mostrato in figura: | 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|}} | {{::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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| ==== 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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| ===== 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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| `n = f/N 60` | `n = f/N 60` |
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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 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. [[https://www.youtube.com/watch?v=zzHcsJDV3_o|Questo video]] illustra il principio di funzionamento di un encoder incrementale. | 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*/ | 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*/ |
| * 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 |
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| | 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. |
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