Attuatori, sensori e trasduttori.

Attuatori

Gli attuatori sono dispositivi in grado di esercitare spostamenti lineari o rotazionali con forze o coppie opportune. In certi casi è più importante lo spostamento, in altri casi la forza o la coppia applicata, un esempio la macchina del timone, l’attuatore idraulico a pistone a doppio effetto.
Gli attuatori possono essere di tipo On/Off o proporzionali. I primi hanno solamente due uscite (accendi o spegni un motore, apri o chiudi una valvola, e via dicendo). Gli attuatori proporzionali rispondono invece, ad un comando continuo, con una legge che si mantiene generalmente abbastanza lineare entro un certo campo di funzionamento, come nel caso del pistone della macchina del timone.
Sono classificati anche in base al tipo di movimento sviluppato, traslatorio o rotatorio, sono chiamati rispettivamente attuatori lineari o rotanti, l’attuatore lineare crea il movimento lungo una linea dritta, funzionando a cinghia dentata, a vite (vedi figura) o con motori lineari, con pistoni pneumatici o oleodinamici, nel campo dell’automazione sono diffusi nell’automotive (gestione carburatore, movimentazione fari o telecamere…), nelle periferiche dei computer (disk driver e stampanti), nelle valvole.


Figura: Attuatore lineare a vite.

In un sistema di automazione l’attuatore può essere definito come un’apparecchiatura che riceve in ingresso i segnali di potenza generati dall’unità di comando e “attua” l’automazione, producendo il lavoro necessario per far avvenire il processo.
Esistono vari tipi di attuatori, distinti in funzione della tecnologia impiegata per il loro funzionamento e del tipo di movimento che li caratterizza. I principali sono:
attuatori elettrici, costituiti da motori elettrici a corrente continua e a corrente alternata, in grado di produrre un moto rotatorio continuo oppure a passi (step motors) o anche un moto rettilineo come nel caso dei motori lineari;
attuatori pneumatici che convertono l’energia dell’aria compressa in energia meccanica che produce il movimento; possono avere sia un movimento rettilineo come i cilindri pneumatici a semplice o a doppio effetto sia rotatorio (motori pneumatici) oppure oscillatorio, con angolo di oscillazione regolabile;
attuatori oleodinamici che convertono in energia meccanica quella dell’olio in pressione, rappresentato in un cilindro oleodinamico in cui questo tipo di tecnologia rende gli attuatori adatti al funzionamento in ambienti con pericolo di esplosione, data l’assenza di scintille e di surriscaldamenti che potrebbero innescarla.

Sensori e trasduttori

Definizioni e caratteristiche: Secondo l’IEC (International Electrotechnical Commission, il sensore è l’elemento primario di una catena di misura, che “converte la variabile di ingresso in un segnale adatto per la misura“, mentre il trasduttore è il “dispositivo che accetta un’informazione nella forma di una variabile fisica (sua variabile di ingresso) e la converte in una variabile di uscita della stessa o di diversa natura, in accordo ad una legge definita”. Il trasduttore, quindi, può essere formato da elemento:

  • Captatore (il sensore vero e proprio);
  • Elemento di condizionamento (es. alimentazione, amplifica­zione, compensazione, linearizzazione, autotaratura);
  • Elemento di elaborazione.

Oggi, in ambiente industriale, il significato dei due termini si confonde, questi dispositivi, quindi, sono utili per trasformare una grandezza fisica di tipo qualsiasi (termico, luminoso, magnetico, meccanico, chimico…) in una grandezza di altro tipo, generalmente elettrica. Il segnale di uscita, cosi, e facilmente manipolabile con dei circuiti elettronici.
Nei controlli, il segnale di uscita diventa comparabile col riferimento, che è di solito una tensione.
Possono essere:

  • Passivi, che producono tensione o corrente senza bisogno di alimentazione (elettro­magnetico. Piezoelettrico, termoelettrico, fotovoltaico),
  • Attivi, che sono alimentati (resistenza o capacità controllate geometricamente, magnetoresistivo, termo resistivo, fotoconduttivo, piezoresistivo, effetto Hall).

I trasduttori primari o fondamentali sono i trasduttori di temperatura, di luminosità, di posizione, di campo magnetico. I secondari trasduttori di forza, di accelerazione, di pressione, che dipendono dai primari. Nei primari la grandezza di ingresso è trasformata direttamente nella grandezza di uscita, mentre nei secondari la grandezza di uscita si ottiene dalla grandezza di ingresso in modo indiretto.
Ovvero la grandezza di ingresso c convertita in grandezza intermedia e quest’ultima nella grandezza di uscita.
Alcune delle caratteristiche di un trasduttore sono il range di ingresso, gli errori di linearità, offset e guadagno, il tempo di risposta, che si illustrano di seguito.
Range. L’intervallo di valori in cui il trasduttore lavora secondo i parametri stabiliti.
Il range di ingresso (o campo di ingresso) definisce i limiti entro cui può variare l’ingresso: il range di uscita (o campo di uscita) definisce i limiti entro cui può variare l’uscita.
Errore di linearità. È espresso conte scostamento massimo della caratteristica reale rispetto a quella ideale (una retta).
Errore di offset. Valore presente in uscita azzerando gli ingressi. La caratteristica trasla verso l’alto o il basso di quel valore.
Errore di guadagno. L’uscita reale ha un’amplificazione rispetto a quella ideale.
Tempo di risposta. Tempo che intercorre dal momento che l’ingresso assume un certo valore a quello in cui questo è presente in uscita (tempo di assestamento). Il trasduttore è assimilabile a un sistema del I o del II ordine, avente quindi una sua costante di tempo.

Figura: Errori in un trasduttore

Potenziometro resistivo

È costituito da un elemento resistivo (filo o strato metallico, materiali plastici con­duttivi, carbone o grafite) su cui è trasci­nato un pattino con movimento rettilineo o angolare. Il più usato, per la sua robu­stezza è formato da un sottile filo metallico di bassa conducibilità (costantana lega binaria, composta di rame (60%) e di nichel (40%) che presenta una resistività di circa 4,9×10−7Ω·m) avvolto su supporto isolante.

 

Figura: In figura sono mostrati lo schema circuitale e la caratteristica ingresso-uscite di un potenziometro.

 

Le caratteristiche si ricavano applicando le regole del partitore di tensione :

Interruttori di posizione meccanici

Sono usati per prevedere la corretta successione delle operazioni (muovere carrelli, nastri, pezzi), per rilevare automaticamente la posizione delle patti mobili. Se posti nella parte estrema della corsa che si vuole controllare, sono detti finecorsa (vedi figura).
Ricalcano il funzionamento dei pulsanti, ma l’azione meccanica non è impressa dall’operatore, ma da un organo meccanico in movimento.

Contatti reed

Il contano reed è un interruttore a lamina (normalmente aperto) che si chiude in presenza di un campo magnetico. È costituito da due lamine, realizzate con materiale ferromagnetico, parzialmente sovrapposte e separate tra loro di qualche decimo di millimetro. Le lamine sono sigillate all’interno di un piccolo contenitore di vette riempito di gas inerte (azoto o argon). Le estremità delle lamine (opposte ai contatti) fuoriescono dal contenitore e costituiscono i terminali del contatto. In presenza di un campo magnetico le lamine tenderanno ad attrarsi e chiuderanno il contatto.

Figura: Contatto reed

Sensore a effetto Hall

Descriviamo l’effetto Hall. Le cariche elettriche, in movimento per Li presenza della corrente I. si accumulano su una faccia del materiale per effetto del campo magnetico (forza di Lorentz), creando un campo elettrico E e quindi una forza agente sugli elettroni, che si oppone e compensa la forza dovuta al campo magnetico (fìg.). Nello schema circuitale del trasduttore è mostrato un amplificatore differenziale che amplifica la differenza di potenziale, detta tensione di Hall, che è un segnale di livello basso; il regolatore mantiene la corrente costante nell’elemento Hall.

Figura: Effetto Hall e schema circuitale di un sensore basato su tale effetto

Tali sensori sono utilizzati per sentire la presenza di un magnete (sensore ON-OFF) o anche la sua distanza (sensore lineare).

Sensore centrifugo di velocità

Nel sensore centrifugo di velocità è uno strumento a deviazione: una molla si oppone alla forza centrifuga (fig.). Lo spostamento può essere trasmesso a un indice, a un potenziometro, a una valvola proporzionale, e così via. Trovano alcune applicazioni nei sistemi di sicurezza per la massima velocità di motori elettrici c in alcuni sistemi oleodinamici per la regolazione di velocità dei gruppi elettrogeni.

Sensore centrifugo di velocità

Nel sensore centrifugo di velocità è uno strumento a deviazione: una molla si op¬pone alla forza centrifuga (fig. 6.7). Lo spostamento può essere trasmesso a un in¬dice. a un potenziometro, a una valvola proporzionale, e così via. Trovano alcune applicazioni nei sistemi di sicurezza per la massima velocità di motori elettrici c in alcuni sistemi oleodinamici per la regolazione di velocità dei gruppi elettrogeni.

Figura: Sensore centrifugo di velocità

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