Misure Meccaniche e Termiche (prof. Revel / Castellini)

MISURE DI SPOSTAMENTO E DIMENSIONALI

1. POTENZIOMETRI RESISTIVI: consistono di un elemento resistivo con un contatto

mobile, l’elemento resistivo è alimentato con corrente

continua o alternata. Ne esistono diverse tipologie a

seconda dello spostamento che rilevano, distinguiamo

tra traslazionali e rotazionali.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO: l’elemento resistivo

è alimentato e la tensione di uscita è

idealmente una funzione lineare dello

spostamento in ingresso.

Ai terminali del circuito si legge la

tensione in uscita. Il caso ideale vede

una risposta lineare, dunque la

tensione in uscita e rispecchia

0

fedelmente il movimento in ingresso x .

i

Tuttavia il caso reale mostra la non effettiva linearità

della risposta, infatti interviene l’effetto di carico dovuto all’inserimento dello

strumento di misura stesso tra i capi del circuito. Dunque alla resistenza del

potenziometro R si aggiunge anche la resistenza dello strumento di misura R : nel

p m

caso reale esso era irrilevante (R /R =0), nel caso reale la relazione ingresso/uscita

p m

diventa: da cui si nota subito che per ottenere una

buona linearità occorre scegliere, a R fissata

m

perché dovuta allo strumento esterno, un

potenziometro di resistenza sufficientemente bassa in

relazione a R . Tuttavia un potenziometro a resistenza

m

bassa avrà anche bassa sensibilità (la sensibilità dipende

da tensione massima, corrente, potenza massima,

corsa); si potrebbe ovviare aumentando la tensione di

eccitazione, ma ogni potenziometro ha un proprio

limite di potenza dissipabile. Dunque si deve fare un

compromesso fra sensibilità ed effetti di carico. In alternativa potenziometri con

maggiore sensibilità sono quelli multigiro. La risoluzione è invece influenzata dalla

tipologia dell’elemento resistivo che può essere a singolo filo, a spira, a strato.

I potenziometri a singolo filo permettono di avere una variazione di resistenza

continua, ma la resistenza è limitata dalla lunghezza limitata dell’elemento resistivo,

si potrebbe diminuire il diametro del filo ma si incapperebbe in problemi di usura e

riscaldamento del filo.

I potenziometri a spire sono costituiti da un

avvolgimento di filo per avere una

resistenza elevata in poco spazio; tuttavia

la variazione di resistenza non è continua e

lineare (uscita a gradini) ma procede a

piccoli passi che sono dovuti al saltellare del

cursore da un filo al successivo. Inoltre il cursore non deve

toccare due spire vicine, dunque la risoluzione è limitata. Rispetto ai potenziometri a

singolo filo si ha maggiore resistenza e vita più lunga, anche una risoluzione

maggiore; sono però sensibili alla temperatura e sopportano correnti minori

attraverso il cursore, inoltre la risposta è a gradini e non lineare.

I potenziometri a strato (elementi di

CERMET o plastica conduttiva) sono

costituiti da una superficie liscia a

contatto con il cursore che determina

una risoluzione teoricamente

infinitesima. Tuttavia la risoluzione

non può essere misurata perché la

derivazione delle relazioni in/out sono casuali.

2. LVDT: trasduttori di spostamento a trasformatore differenziale. Costituiti da un tubo

al cui interno viene inserita un’asta non magnetica cui è attaccato un nucleo ferroso.

Attorno al tubo ci sono tre avvolgimenti di filo conduttore: uno detto primario (in cui

entra la corrente di

alimentazione) e gli altri

due detti secondari (da

cui si legge l’uscita). Il

movimento del nucleo

ferroso produce una

mutua induttanza negli

avvolgimenti, per

ognuno l’intensità sarà

differente e dunque l’ampiezza dell’uscita diventa una funzione praticamente lineare

della posizione del nucleo. C’è inoltre una posizione, detta di zero, in cui l’uscita

globale è nulla e si ottiene disponendo gli avvolgimenti secondari in serie e in

opposizione (controserie). Ogni volta che il nucleo ferroso attraversa la posizione di

zero l’uscita viene sfasata di 180 gradi. L’uscita è una sinusoide cui ampiezza è

proporzionale al movimento del nucleo, collegando un voltmetro che legga la

tensione di uscita si può tarare in modo da avere una lettura in unità di movimento.

Tuttavia un tale strumento non è sensibile allo sfasamento del passaggio per la

posizione di zero perdendo dunque l’informazione sulla direzione in cui si muove il

nucleo. Per ovviare a ciò si deve usare un demodulatore (che sfrutta diodi, corrente

in una sola direzione) per poi filtrare mediante filtro passa basso che elimina tutte le

frequenze prodotte dalla modulazione: .

3. STRUMENTI ELETTRO-OTTICI:

La sonda consiste di un fascio di fibre ottiche di trasmissione e di ricezione cui

disposizione è solitamente random. Le fibre di trasmissione vengono esposte ad una

sorgente luminosa e portano la luce fin sulla punta della sonda, dove la luce viene

emessa e riflessa sulla superficie bersaglio. La luce riflessa viene raccolta dalle fibre di

ricezione, convogliata e trasmessa al fotorilevatore che produce un’uscita legata alla

distanza del bersaglio dalla sonda.

Il laser è un diodo cui luce viene raccolta da una lente

focalizzante, che concentra la luce sul corpo target in un

punto. All’impatto con il corpo la luce si distribuisce per

diffusione e torna indietro in tutte le direzioni. Uno di

questi fasci luminosi viene raccolto da una seconda lente

che rimanda il fascio luminoso ad un fotodetector ad

effetto laterale.

L’array consiste in un fascio luminoso che colpisce il bersaglio creando zone di luce e

zone di ombra. La luce viene intercettata da una lente che focalizza la luce sull’array

(è una sorta di fotocamera) che registra le zone di ombra e di luce. La dimensione

dell’ombra

corrisponde alla

demensione del

target.

4. TRASDUTTORI CAPACITIVI: si può sfruttare la traslazione o rotazione per creare una

capacità variabile. La capacità è funzione dell’area delle armature e della distanza tra

di esse (che corrisponde allo spostameto da misurare), dunque è

possibile intervenire su queste variabili singolarmente in base alla

necessità. In particolare, quando il movimento è di ampiezza relativamente elevata,

la distanza viene mantenuta costante e si varia l’area muovendo una faccia parallela

all’altra. Per movimenti più piccoli si mantiene l’area costante e si varia la distanza tra

le armature. Il campo utile è circa uguale al valore nominale del gap tra le armature.

Le variazioni di capacità non sono direttamente utilizzabili, occorre tradurle in segnali

elettrici da inviare ad un oscilloscopio o scheda di acquisizione. Per configurazioni

atte a campi di misura estesi, la capacità è lineare con lo spostamento. Per

configurazioni con fondo scala più limitato la variazione di capacità è legata a una

variazione dello spostamento che sta a denominatore, per ottenere un’uscita lineare

si applica una corrente costante che fornisce una tensione costante che sarà quindi

proporzionale allo spostamento; tuttavia occorre in questo caso un demodulatore

sensibile alla fase e un filtro passa-basso.

5. TRASDUTTORI PIEZOELETTRICI: sfruttano materiali piezoelettrici che hanno la qualità

di generare cariche elettriche quando vengono deformati. La carica prodotta è

direttamente proporzionale alla forza che la produce. La generazione di cariche è

però un processo dinamico, il materiale deve essere deformato continuamente per

generare cariche, il che vuol dire che la risposta in frequenza ha un limite inferiore.

6. TRASDUTTORI A CORRENTI PARASSITE: lo strumento è costituito da un ponte di

Weathstone cui è collegata una sonda

e in uscita un demodulatore e filtro

passa-basso. La sonda contiene due

avvolgimenti, uno attivo che viene

influenzato dalla presenza del target

conduttore, l’altro di compensazione

completa il ponte e compensa gli

effetti di temperatura. Il ponte è

alimentato in corrente alternata.

Dall’avvolgimento attivo le linee di flusso magnetico passano nel bresaglio

conduttore, sulla cui superficie si generano delle correnti parassite (che ruotano in

modo da opporsi al campo magnetico che le ha create), esse ad una certa profondità

diventano trascurabili quindi occore dimensionare appositamente il target perché la

sonda riesca a coprire tutto il target. Quando il target si avvicina al sensore, le

correnti aumentano così che si modifica l’impedenza dell’avvolgimento attivo e si

sbilancia il ponte. La tensione viene demodulata, filtrata e si produce così un’uscita

proporzionale allo spostamento.

7. ENCODERS: sono trasduttori digitali che rilevano traslazioni e rotazioni. Ne esistono

di diversi tipi: tachimetrici, incrementali e assoluti.

Quelli tachimetrici sono costituiti da un disco inciso, una luce colpisce il disco e

quando l’incisione viene attraersata dalla luce questa arriva ad un sensore ottico.

Questi encoders hanno un unico segnale di uscita (poiché

hanno una sola pista di incisioni) che consiste in una

successione di impulsi generato per ogni incremento di

spostamento. Ogni impulso viene registrato da un contatore,

si avranno tanti impulsi quante sono le incisioni. Questo

sensore è utilizzato solo quando la direzione non viene

invertita, infatti se lo spostamento avviene in direzione

opposta l’impulso verrà

comunque generato e contato,

causando errori.

Per risolvere tale problematica, si adoperano encoders incrementali che adottano

più piste di incisioni; il segnale in uscita avrà allora più tracce, di

cui una potrebbe ad esempio dare un impulso ogni giro fatto, le

altre due sono sempre sfasate per poter capire quale varia

prima, così da intuire il verso dello spostamento. Tuttavia il

rumore elettrico

causa errori che

vengono mantenuti fino allo

spegnimento che causa anche perdita

dei dati.

Gli encoders assoluti sfruttano un disco ricoperto da una pellicola nera che viene

incisa per creare alternanza di zone luminose e zone oscurate.

Leggono dunque tracce multiple in parallelo (le n piste vengono

lette da n fotorilevatori differenti) per produrre una

rappresentazione binaria della posizione angolare del rotore. Il

vantaggio è che dato il collegamento univoco tra rotore e

codice binario i dati di posizione sono conservati anche quando

manca

l’alimentazione, tuttavia il

rumore elettrico transitorio

causa solo un errore anche esso

transitorio nella misura.

MISURE DI VELOCITÀ

1. TRASDUTTORI DI PROSSIMITÀ