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Trasduttori resistivi e potenziometri
Rva da 2 a 6 nei resistori metallici, da 40 a 200 per gage a semiconduttore. I trasduttori resistivi che sfruttano la variazione di l sono trasduttori di spostamento e necessitano solo di un cursore solidale con l’elemento di cui rilevare lo spostamento. I trasduttori resistivi che sfruttano la variazione di a come sensori fili di costantana o leghe di nichel-rame su supporti di materiale isolante deformabili. I trasduttori resistivi che sfruttano variazioni di ρ sono trasduttori di temperatura, umidità, portata.
3.1 Potenziometri
La posizione di un cursore mobile condiziona il valore della tensione ai terminali di uscita, la quale è una frazione di quella di alimentazione, proporzionale alla posizione dell’organo di ingresso. I potenziometri hanno forma rettilinea o circolare e si adattano alla misura di spostamenti lineari o circotativi, superiori a valori di fondo scala di 1cm o 10 . Sono sensori che costano poco e
robusti, risentono poco delle grandezze di influenza, ma non riescono a misurare variazioni molto piccole. Un potenziometro è un dispositivo resistivo, trasduttore di spostamento, dotato di contatto scorrevole lineare o rotativo. La resistenza tra contatto e terminale fisso è data da ρlρ x = α (3.1) R = A A con x = lα la distanza percorsa dal contatto scorrevole rispetto al terminale, α la frazione della lunghezza l. Elettricamente l'elemento resistivo è partizionato nel punto di contatto e per essere usato come sensore di spostamento viene usato nella configurazione di partitore di tensione.
Per misurare lo spostamento un potenziometro deve essere collegato a dispositivi e componenti meccanici; l'alloggiamento si monta su una struttura stazionaria, l'albero si accoppia a un elemento mobile. L'input (il movimento) può accoppiarsi direttamente o indirettamente all'albero.
Il potenziometro è un sistema di ordine zero, la (3.1) mostra che la resistenza è proporzionale alla distanza percorsa dal contatto scorrevole x. Tale equazione presenta semplificazioni non sempre vere:
- si assume che la resistenza sia uniforme lungo l, se così non fosse questo limita la linearità del potenziometro; il grado di accordo tra comportamento effettivo e teorico è detto conformità.
- si assume che il contatto scorrevole dia variazione di resistenza graduale, dunque risoluzione infinita. Questo non è vero per realizzazioni con tecnologie specifiche.
La linearità dei potenziometri è specificata come linearità indipendente, ovvero la
massimadeviazione della funzione di output effettiva dalla best fit. La fdt rettilinea è la retta che minimizzal’errore su una serie di punti campionati.I potenziometri sono disponibili con linearità indipendenti da meno dello 0, 1% all’1%. Quandosi hanno funzioni di output non lineari si specifica la conformità, è il termine più generale perdescrivere la deviazione da funzione ideale. Conformità e linearità sono espresse come percentualedell’output a fondo scala (FSO).
Figura 33: Linearità
Nel caso in cui la tensione di alimentazione sia alternata, la (3.1) vale solo se le componenti paras-site sono trascurabili; per valori elevati della R la capacità potrebbe essere significativa, per RT Tbassi è significativa la componente induttiva. Inoltre, i resistori hanno una deriva (drift) con latemperatura: la (3.1) vale solo se le variazioni di resistenza con la temperatura sono uniformi. Levariazioni di temperatura possono intervenire per fluttuazioni
temperatura ambiente, il potenziometro può generare un effetto di auto-riscaldamento a causa della sua capacità limitata di dissipare potenza. Se il tasso di dissipazione di potenza è P, il valore RMS massimo della tensione applicata deve essere la radice quadrata di P*R. I circuiti di misura con impedenza di ingresso bassa possono causare un effetto di carico sul potenziometro e su altre componenti, che potrebbero riscaldarsi oltre il tasso di dissipazione di potenza. Il circuito equivalente di Thevenin di un potenziometro mostra che l'impedenza di uscita dipende dalla posizione del contatto scorrevole. L'impedenza di uscita di un potenziometro lineare alimentato da una tensione diretta V è data dal parallelo tra R*(1-α) e R*α: r_out = R*α*(1-α)/(R*α + R*(1-α)) La tensione di uscita in circuito aperto è: V_out = V*α con 0 ≤ α ≤ 1 Figura 34: Potenziometro con caricorealizzare la variazione di tensione di uscita. La linearità del potenziometro è influenzata dalla resistenza di carico R diversa da zero. In particolare, la tensione di uscita V dipende sia dalla tensione di alimentazione V che dalla posizione del contatto scorrevole α. Il rapporto tra le due tensioni dipende solo dalla posizione del contatto. La tensione di uscita non dipende dalla resistenza R, ma l'impedenza di uscita aumenta all'aumentare della resistenza totale. Spesso i potenziometri vengono collegati direttamente ad un ADC senza l'uso di amplificatori come elemento di interfaccia. Nella pratica, l'uscita ideale di un potenziometro cambia con la posizione del contatto. Esiste una regione in cui l'uscita rimane costante fino a quando il contatto non si ferma meccanicamente. La corsa meccanica è la gamma di movimento del contatto mobile, mentre la corsa elettrica è più piccola ed è il movimento che causa la variazione di tensione di uscita.Cui l'uscita elettrica è valida. Per questo è importante verificare che il movimento del contatto da misurare rientri nei limiti della corsa elettrica.
La linearità è influenzata dal rapporto tra resistenza di carico R e resistenza del potenziometro L. R/L dovrebbe essere massimizzato per ridurre effetti di carico. Un valore minimo pari a 10 è consigliato perché dà un errore di carico limitato all'1% dell'FSO.
Altri accorgimenti: usare tensione regolata la cui uscita rimanga stabile anche in presenza di variazioni del carico, usare un circuito di condizionamento ad elevata impedenza d'ingresso, usare solo una parte della corsa completa.
Le caratteristiche metrologiche dei potenziometri sono: linearità, risoluzione, sensibilità, vita, resistenza di uscita, risposta al gradino, banda passante.
Le tecniche costruttive dei potenziometri
più limitate rispetto ad altre tecnologie. Potenziometri a film metallico: l'elemento resistivo è realizzato con un sottile film di materiale metallico, generalmente una lega di ceramica e metallo chiamata CERMET. Il film metallico viene depositato su un supporto isolante, solitamente in ceramica. Un cursore metallico scorre lungo il film metallico, creando un contatto elettrico con un punto dell'elemento resistivo. Questa tecnologia offre una buona risoluzione e una maggiore durata rispetto ai potenziometri a filo metallico. Potenziometri a plastica conduttiva: l'elemento resistivo è realizzato con una plastica conduttiva, che permette il passaggio della corrente elettrica. Questa tecnologia ha una risoluzione più spinta rispetto ai potenziometri a filo metallico e a film metallico, ma ha un limite in termini di temperatura di utilizzo. In alcuni casi, è possibile avere potenziometri ibridi, che combinano due tecnologie diverse al fine di migliorare le caratteristiche del potenziometro. Ad esempio, potrebbe essere utilizzato un potenziometro a filo metallico per la parte di sensore di spostamento rettilineo e un potenziometro a film metallico per la parte di sensore di posizione angolare. In conclusione, i potenziometri possono essere realizzati con diverse tecnologie, ognuna con le proprie caratteristiche e limitazioni. La scelta della tecnologia dipende dalle specifiche esigenze dell'applicazione.minori dei valori tipici. Il problema della risoluzione nasce perché il cursore realizza una variazione discreta della resistenza e ogni incremento elementare è pari alla resistenza che corrisponde ad una spira del filo avvolto sul supporto.
Per aumentare la risoluzione occorre aumentare il rapporto tra lunghezza totale del filo resistivo e lunghezza della singola spira (numero delle spire avvolte sul supporto). Il numero massimo di spire è legato alla corsa del cursore e al diametro del filo, quest'ultimo non può essere ridotto sotto una soglia perciò si realizzano supporti ad elica o si utilizzano meccanismi per l'accoppiamento del pattino con l'elemento in ingresso al cursore. Si realizzano così potenziometri a risoluzione fino allo 0.03% del fondo scala.
La vita è espressa in termini di "corse" del cursore poiché è l'usura meccanica provocata dall'attrito del cursore sull'elemento resistivo che crea invecchiamento del componente.
Ad ogni corsa il pattino asporta una minima quantità di metallo provocando variazione di sezione e conseguente variazione della resistenza globale. Se l'usura fosse uniformemente distribuita non si avrebbero alterazioni delle caratteristiche metrologiche, ma ciò è improbabile. È più frequente l'usura localizzata in una regione ristretta dell'avvolgimento resistivo con conseguente degrado della linearità del sensore. Potenziometri a film metallico: l'elemento resistivo è realizzato mediante il deposito di un sottile strato metallico su un supporto isolante piano. La tecnologia più usata per la "pista resistiva" è la sinterizzazione, ovvero la compressione ad alta temperatura di finissima polvere metallica. L'effetto combinato di temperatura e compressione permette di ottenere legami molecolari fra particelle componenti. La pista può essere sagomata a piacere per ottenere legami non lineari tra posizione del cursore e tensione d'uscita.O può essere rifinita per migliorare la linearità. La riso-luzione è teoricamente infinita.
Potenziometri a plastica conduttiva: la plastica può essere resa conduttiva mescolando neisuoi componenti degli elementi conduttivi a base di carbonio. La plastica conduttiva permettedi realizzare superfici lisce e resistenti all’abrasione meccanica: può essere utilizzata per costruirel’elemento resistivo dei trasduttori potenziometrici. La caratteristica metrologica più interessanteè il tempo di vita che lo rende adatto a impieghi gravosi.
Nei potenziometri a filo metallico lo scorrimento del contatto sulla spira produce risposta quantiz-1 100 [%] dove N è il numero di avvolgimentizata: la migliore risoluzione ottenibile è data da r = Ndella spira. I potenziometri di tecnologia diversa pr
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