martedì 14 marzo 2023 · 0 min read
Cos'è un sensore e a cosa serve?
In questo articolo tratteremo, in modo dettagliato, i sensori più comunemente utilizzati nelle applicazioni di Acquisizione Dati (DAQ), al fine di:
Vedere cosa sono i sensori e a cosa servono
Imparare le basi del funzionamento delle maggiori tipologie di sensori
Capire l'importanza di utilizzare sensori performanti in ambito industriale e di ricerca
Pronto per iniziare? Via!
I sensori, anche conosciuti come trasduttori, sono uno dei componenti fondamentali dei moderni data logger (sistemi AKA DAQ o DAS). Questi sistemi sono composti dai seguenti componenti di base:
Sensori
Condizionamento del Segnale (Vedi Cos'è un Condizionatore di Segnale?)
Convertitore Analogico-Digitale (ADC) (Vedi Cos'è un Convertitore ADC?)
E un computer con software DAQ per la registrazione e l'analisi del segnale.
Cosa fa un Sensore?
Il modo più semplice per spiegare cos'è un sensore è vedere cosa fa un sensore.
Un sensore è un dispositivo che rileva i cambiamenti nell'ambiente circostante e risponde mediante alcuni output su un altro sistema. Un sensore converte un fenomeno fisico in una tensione analogica misurabile (o talvolta un segnale digitale) convertito in un display leggibile dall'utente, o trasmesso per la lettura, o a seguito di ulteriore elaborazione.
Uno dei sensori maggiormente conosciuti è il microfono, che converte l'energia dell'onda acustica in un segnale elettrico che può essere amplificato, trasmesso, registrato e riprodotto.
I sensori vengono utilizzati durante la nostra vita quotidiana. Ad esempio, il comune termometro a mercurio è un tipo di sensore molto vecchio, utilizzato per misurare la temperatura. Costituito da mercurio colorato all'interno di un tubo chiuso, si basa sul fatto che tale sostanza chimica ha una reazione coerente e lineare ai cambiamenti di temperatura.
Contrassegnando il tubo con i valori di temperatura, possiamo guardare il termometro e vedere qual è la temperatura. La precisione è in qualche modo limitata a causa della dimensione visiva dei segni di scala, ma è sufficiente per lo scopo previsto.
Certamente, non c'è output (diverso da quello visivo). Questo tipo di termometro, sebbene utile nel forno o fuori dalla finestra, non è particolarmente utile per le applicazioni di acquisizione dati perché, per poterne registrare i valori, dobbiamo avere un output che può essere digitalizzato. Quindi, i sensori di temperatura sono stati inventati per misurare la temperatura e altri fenomeni fisici e per fornire un output che possiamo visualizzare, archiviare e analizzare.
Approfondiamo sensori più comuni e popolari in uso oggi.
Tipologie di Sensori
Ci sono molti tipi di sensori che sono stati inventati per misurare fenomeni fisici:
Termocoppie, RTDs e Termoresistori: per misurare la temperatura
Strain Gauge: per misurare la deformazione su un oggetto, ad es. pressione, tensione, peso, ecc.,
Celle di carico: per misurare peso e carico
Sensori LVDT: gli LVDT vengono utilizzati per misurare la distanza di spostamento
Accelerometro: misure di vibrazioni e urti
Microfoni: per catturare le onde sonore
Sensori di Corrente: per misurare corrente AC o DC
Trasduttori di Tensione: per misurare i potenziali di alta tensione
Sensori Ottici: utilizzati per rilevare la luce, trasmettere dati e sostituire i sensori convenzionali
Fotocamere: utilizzati per acquisire immagini 2D singole e continue
Sensori digitali: utilizzati per il conteggio on/off discreto, codifica lineare e rotativa, misurazioni di posizione, ecc.
Sensori di Posizione (GPS): usati per acquisire la posizione longitudinale e latitudinale basata su GPS, GLONASS e altri sistemi di posizionamento satellitare. Sono disponibili diversi sensori GPS con diversa precisione.
e molti altri.
A seconda del tipo di sensore, il suo output elettrico può essere una tensione, corrente, resistenza o un'altra caratteristica elettrica che varia nel tempo. Alcuni sensori sono disponibili con uscite digitali, per cui emettono una serie di byte di dati in scala o non in scala. L'uscita di questi sensori analogici è in genere collegata all'ingresso di un condizionatore di segnale, di cui parleremo nella sezione successiva.
Successivamente, daremo una breve occhiata a ciascuno dei principali tipi di sensori attualmente in uso.
Scopri i Sistemi di Acquisizione Dati Dewesoft in grado di collegare qualsiasi tipo e qualsiasi numero di sensori per registrare, archiviare, analizzare e visualizzare i dati.
Sensori di Temperatura
I sensori più comuni e popolari per la misurazione della temperatura includono:
termocoppie,
termistrori,
RTDs,
e persino rilevatori di temperatura a infrarossi.
Milioni di questi sensori vengono usati ogni giorno in tutti i tipi di applicazioni, dalla temperatura del motore mostrata sul cruscotto della nostra automobile, alle temperature misurate nella produzione farmaceutica. Praticamente ogni settore utilizza la misurazione della temperatura in qualche modo.
Principali Caratteristiche di Diversi Sensori di Temperatura
| Tipo di Sensore | Termistore | RTD | Termocoppia |
|---|---|---|---|
| Range di Temperatura (tipico) | -100 to 325°C | -200 to 650°C | 200 to 1750°C |
| Accuratezza (tipica) | 0.05 to 1.5°C | 0.1 to 1°C | 0.5 to 5°C |
| Stabilità a Lungo termine @ 100°C | 0.2°C/year | 0.05°C/year | Variabile |
| Linearità | Esponenziale | Abbastanza lineare | Non-lineare |
| Alimentazione richiesta | Tensione o corrente costante | Tensione o corrente costante | Auto-alimentata |
| Tempo di Risposta | Veloce0.12 to 10s | Generalmente lento1 to 50s | Veloce0.10 to 10s |
| Suscettibilità al rumore elettrico | Raramente sensibileSolo alta resistenza | Raramente sensibile | Sensibile/Compensazione del giunto freddo |
| Costo | Da basso a moderato | Alto | Basso |
Termocoppie
La termocoppia è il sensore di temperatura più popolare in assoluto grazie al suo costo relativamente basso e all'affidabilità. Le termocoppie si basano sull'effetto Seebeck, che afferma che quando una coppia di metalli diversi connessi tra loro, sono soggetti a variazioni temperatura alle loro estremità, creano un piccolo potenziale di tensione.
L'associazione di diversi tipi di metalli ci offre una varietà di campi di misura. Questi sono chiamati "tipi". Un modello molto popolare è il tipo K, che abbina il cromo e l'alluminio, ottenendo un ampio intervallo di misurazione da -200°C a +1350°C (da -330°F a +2460°F). Altri tipi diffusi sono J, T, E, R, S, B, N e C.
I tipi di termocoppia J, K, T ed E sono anche noti come termocoppie in metallo base. Le termocoppie di tipo R, S e B sono note come termocoppie in metallo nobile, utilizzate in applicazioni ad alta temperatura.
L'uscita da una termocoppia deve essere linearizzata dal sistema di misurazione.
Deve anche essere referenziato usando il Cold Junction Compensation (CJC). La "giunzione calda" è l'estremità di misurazione del gruppo termocoppia. L'altra estremità è la giunzione fredda, che in genere viene usata come riferimento. La compensazione della giunzione fredda rimuove l'effetto delle tensioni generate da queste giunzioni fredde per una misurazione della temperatura più accurata.
La "Termocoppia Challenges"
A causa dell'uscita microvolt e millivolt molto piccola di questi sensori, possono verificarsi disturbi elettrici e interferenze quando il sistema di misura non è isolato. I moduli Dewesoft affrontano questo problema frontalmente con un potente isolamento. Non esiste un modo migliore per reiettare le tensioni di modo comune che entrano nella catena del segnale.
Un altro modo per ridurre il rumore è posizionare il sistema di misurazione il più vicino possibile al sensore. Evitare lunghe linee di trasmissione del segnale è una strategia collaudata per massimizzare la fedeltà del segnale e ridurre i costi. Guarda qui i nostri strumenti modulari SIRIUS e KRYPTON per le migliori soluzioni.
Un CJC inadeguato provoca letture errate. Questo assieme deve essere protetto dalle variazioni di temperatura ambiente per fornire un solido riferimento. Usiamo un chip CJC separato per ogni canale nei nostri CJC, che sono fresati da un solido blocco di alluminio e assemblati con precisione per ottenere il miglior riferimento possibile.
Sensori RTD
Rispetto alla termocoppia, la termoresistenza eo RTD (Rilevatore di Temperatura a Resistenza) è generalmente più lineare e privo di drift nel suo intervallo di misurazione. Tuttavia, a causa del loro contenuto di platino e della costruzione più complessa, sono più costose delle termocoppie.
In genere troverete RTD utilizzati in applicazioni come i prodotti farmaceutici, in cui è necessario effettuare misurazioni precise della temperatura per un lungo periodo. Non possono essere utilizzate con temperature molto al di sopra di 600°C, quindi le termocoppie sono una scelta migliore per le applicazioni di "contatto" ad alta temperatura.
A differenza della termocoppia auto-alimentata, l'RTD deve essere alimentata dal sistema di misura.
L'RTD misura la temperatura tramite resistenza elettrica che cambia in modo altamente lineare rispetto alla temperatura. Sebbene al suo interno un RTD sia un sensore a 2 fili, l'aggiunta di uno o anche altri due fili (collegamento a 3 e 4 fili) fornisce una migliore compensazione contro il riscaldamento automatico e la resistenza del filo conduttore, per questo è raccomandata. I condizionatori di segnale Dewesoft offrono possibilità di collegamento a 2, 3 e 4 fili.
Tipi di Sensori RTD
Pt100 (“PT” = platino e “100” = 100Ω a 0°C) e Pt1000 sono le varianti più popolari dei sensori RTD. Ne esistono, tuttavia, anche altri tipi come sensori Pt200, Pt500, e Pt2000. I sistemi di acquisizione dati Dewesoft supportano la connessione e la misura di tutti i tipi di sensori RTD.
Come accennato, l'aggancio RTD è più complesso di una termocoppia, tuttavia gli adattatori DSI-RTD Dewesoft rendono semplice e conveniente il collegamento dei sensori ai nostri sistemi di misura. Il rumore elettrico è sempre un aspetto da considerare per qualsiasi sensore con uscita bassa, ma i nostri ingressi ad alto isolamento sono la migliore prevenzione immaginabile.
Un altro modo per ridurre il rumore elettrico è posizionare il sistema di misura il più vicino possibile al sensore. Evitare lunghe linee di trasmissione del segnale è una strategia collaudata per massimizzare la fedeltà del segnale e ridurre i costi. Dai un'occhiata ai nostri sistemi DAQ modulari SIRIUS e KRYPTON per le migliori soluzioni disponibili qui.
Termistori
Un termistore è un semiconduttore fatto di ossidi di metallo che vengono pressati in un piccolo disco, wafer o altra forma e sinterizzato ad alte temperature. Infine, sono rivestiti con resina epossidica o vetro.
Quando una corrente passa attraverso un termistore, è quindi possibile leggere la tensione sul termistore e determinarne la temperatura. Un termistore tipico ha una resistenza di 2000 Ω a 25ºC. Coefficiente di temperatura del 3,9%.
I termistori sono economici e hanno una risposta rapida, ma non sono lineari, hanno un range limitato, sono relativamente fragili a meno che non siano montati all'interno di una sonda per protezione.
Pro e contro di diversi sensori di temperatura
| Pros | Contro | Migliore Applicazione | |
|---|---|---|---|
| Termocoppie | Ampio range di misura Auto-alimentato Semplice da collegare Robusto Economico | Non-Lineare Riferimento CJC richiesto Non intrinsecamente isolato | Migliaia di applicazioni nel monitoraggio della temperatura industriale e di processo Test ambientali automobilistici Combustione interna e test del motore ibrido Test su motori elettrici e turbine Medicale, monitoraggio sanitario Test di motori e sistemi di controllo aerospaziali |
| RTD | Più stabile Più accurato Più lineare delle termocoppie | Costoso Fonte di corrente richiesta Piccolo ∆RBassa resistenza assoluta Auto-Riscaldamento Errore di resistenza del piombo Tempo di risposta Resistenza alle variazioni Dimensione | Prodotti farmaceutici, produzione di farmaci Processi alimentari Misure scientifiche precise |
| Termistori | Livello di output elevato Risposta veloceIstallazione semplice Molto economico | L'uscita deve essere convertita dalla variazione di resistenza in una lettura della temperatura Range limitato a ~ 200°C Fragile | Monitoraggio di circuiti elettrici Applicazioni per motori automobilistici Elettronica di consumo Allarmi antincendio Controllo termostato |
Estensimetri
Quando un sensore strain gauge (alias "estensimetri") è correttamente allineato e incollato su un oggetto da testare e viene applicato dello stress all'oggetto piegandolo o torcendolo, la resistenza dell'estensimetro cambierà in modo lineare e potremo quindi misuralo. Possiamo anche applicare la matematica per calcolare la deformazione e altre forze.
Applicazioni degli Strain Gauge
Misure di deformazione e stress
Misure di peso e carico
Misure di forza
Misure di shock e vibrazione
Sensori estensimetrici Pro e contro
| Vantaggi degli Strain Gauge | Svantaggi degli Strain Gauge |
|---|---|
| I sensori in se sono economici | L'installazione richiede conoscenze specialistiche |
| Adatto sia alle misurazioni statiche che dinamiche | Il condizionamento del segnale richiesto è relativamente complesso |
| Utile in una vasta gamma di applicazioni | La temperatura può influire sulle misure |
Ulteriori informazioni sugli Strain Gauge e sulla misura delle deformazioni:
Celle di Carico
Se facciamo un altro passo e fissiamo permanentemente quattro sensori estensimetrici su un corpo di una determinata forma, creiamo un sensore diverso chiamato Cella di carico. Questo è essenzialmente un sensore di forza o pressione.
Le celle di carico più note sono quelle installate nella parte inferiore della bilancia digitale da bagno. Quando si sale sulla bilancia e si comprimono le celle di carico, esse generano un cambiamento nella resistenza, che un microcontrollore misura e converte in un valore in kg (lbs).
Una cella di carico a "barra" o "raggio di curvatura" (aka "raggio binoculare") viene comunemente utilizzata per applicazioni di pesatura industriale. Un'estremità della barra è fissata a una struttura, mentre una forza viene applicata all'estremità libera del sensore (vedere F nella figura seguente).
Questa forza fa sì che i quattro estensimetri integrati nella parte superiore e inferiore a ciascuna estremità della cella di carico si allunghino o si comprimano a seconda di quanto l'applicazione o la riduzione della forza sollecita la struttura della cella di carico. Questi piccoli cambiamenti nel potenziale degli strain gauges sono facilmente convertiti in forza peso all'interno del nostro sistema di acquisizione dati.
Le celle di carico sono disponibili in molte forme e dimensioni: alcune per spazi molto piccoli e piccoli carichi, altre per carichi enormi di centinaia di migliaia di tonnellate, ecc.
Applicazioni con Celle di Carico
Test sui materiali - parti pesate man mano che vengono fabbricate per coerenza
Aerospaziale - spinta del motore a reazione, carico su ruote e sottocarri
Marina - tensioni della linea di ormeggio
Trasporti - misure di coppia su motori, stazioni di pesatura per camion autostradali
Industriale - misure di tensione e forza in cartiere e mulini per metalli
Medicale / Sanitario - Bilance per incubatrici per bambini, attrezzatura per terapia fisica
Costruzione - Forze dei cavi negli ascensori, forze sui ponteggi
Intrattenimento - prove di tensione dei cavi utilizzati per sollevare gli acrobati
Petrolchimico- misura delle forze sugli strumenti di perforazione di petrolio e gas
Agricoltura e Allevamento - pesatura di bestiame, tramoggia, boccale e silo
Famiglia / Consumatore - bilance pesapersone digitali, bilance da cucina
Pro e contro dei sensori delle celle di carico
| Vantaggi delle Celle di Carico | Svantaggi delle Celle di Carico |
|---|---|
| Misure accurate e ripetibili | Le misure possono essere influenzate dalla temperatura ambiente |
| Disponibile da carichi molto piccoli a centinaia di migliaia di kg / libbre | Richiede un condizionamento del segnale degli strain gauge relativamente costoso |
| Disponibile in una varietà di forme e dimensioni per numerose applicazioni | / |
Ulteriori informazioni sulle celle di carico e sulla misurazione del peso:
Sensori LVDT
I trasduttori LVDT (transformatore differenziale variabile lineare) vengono utilizzati per misurare lo spostamento / posizione lineare su distanze relativamente brevi. Sono costituiti da un tubo che contiene un'asta. La base del tubo è montata in una posizione fissa e l'estremità dell'asta è fissata a qualcosa che si muove.
Quando l'asta viene estratta dal tubo o ritorna all'interno, il sensore emette un segnale che definisce la posizione dell'asta dal suo punto iniziale alla sua massima deflessione. L'asta non tocca l'interno del tubo, rendendolo praticamente privo di attrito, e lo stesso LVDT non contiene componenti elettronici, rendendolo popolare in ambienti difficili.
Applicazioni degli LVDT
Migliaia di applicazioni di misura industriali, di fabbrica e di processo
Aerospaziale - test attuatore e superficie di controllo
Trasporto - monitoraggio dell'altezza di marcia tra il camion e il corpo del treno
Petrolchimica - posizionamento degli strumenti di perforazione
Sensori LVDT Pro e Contro
| Vantaggi degli LVDT | Svantaggi degli LVDT |
|---|---|
| Misure altamente accurate e ripetibili | Le misure possono essere influenzate dalla temperatura ambiente |
| Durata di vita lunga grazie al funzionamento praticamente senza attrito | Richiede eccitazione AC |
| Disponibile da micrometri a ~ 0.7 m (27 in.) | / |
| Uscita assoluta (dopo il ripristino dell'alimentazione la lettura torna al valore corretto) | / |
| Disponibile in varie tipologie e dimensioni per diverse applicazioni | / |
Sensori di Vibrazione - Accelerometro
Gli accelerometri vengono utilizzati per misurare vibrazioni e urti su macchine e, in sostanza, su qualsiasi cosa si muova. Le loro uscite possono anche essere integrate e doppiamente integrate per calcolare lo spostamento e la velocità.
Gli accelerometri per effettuare misurazioni dinamiche si basano normalmente sul principio piezoelettrico: quando un cristallo di quarzo viene sottoposto a sollecitazione produce un flusso di cariche elettriche proporzionale allo stress. Questi sensori di carica sono collegati a un condizionatore di segnale di tipo carica. I sensori IEPE (aka ICP®) sono una tipologia di sensori ancora più popolari, questi hanno un pre-amplificatore integrato e richiedono un condizionamento di segnale meno costoso.
Esistono anche accelerometri di tipo capacitivo che si basano su un principio diverso e che sono diffusi in applicazioni industriali meno complesse.
Inoltre, ci sono accelerometri basati su MEMS che sono ampiamente utilizzati in applicazioni di navigazione, orientamento di tablet e telefono, test automobilistici e motion capture.
Applicazioni Accelerometro
Test di Urto e Vibrazione di tutti i tipi, in tutti i settori
Aerospaziale - prove di deformazione e sollecitazione della fusoliera, test di vibrazione del motore a reazione e a razzo
Trasporto - Registrazione di urti e vibrazioni durante il trasporto di oggetti fragili
Automobilistico: shock e vibrazioni della carrozzeria, test di comfort dei passeggeri, vibrazioni del motore
Test di vibrazione del corpo umano
Prove di vibrazione torsionale e rotazionale
Sensori accelerometrici Pro e contro
| Vantaggi Accelerometro | Svantaggi Accelerometro |
|---|---|
| Connessione facile | I sensori possono essere danneggiati da troppi shock |
| Modelli disponibili per misure dinamiche e statiche | I sensori di carica richiedono un condizionamento del segnale più costoso del condizionamento del segnale del sensore IEPE |
| Disponibile in diversi tipi e dimensioni per diverse applicazioni | Il montaggio dei sensori richiede conoscenze specialistiche |
| I sensori di carica non richiedono alimentazione esterna | / |
| I sensori IEPE presentano cavi più lunghi ed economici e condizionamento del segnale semplice | / |
Ulteriori informazioni sulle misure di vibrazioni:
Sensori acustici - Microfoni
Oltre ad essere utilizzati nel settore dell'intrattenimento, i microfoni sono anche fabbricati per essere utilizzati in applicazioni di acquisizione dati per l'analisi e la misura del suono e del rumore.
I microfoni vengono utilizzati in studi sul rumore e sulle vibrazioni, studi sull'udito umano, applicazioni sul rumore pass-by automobilistico e migliaia di altri.
Applicazioni del Microfono
Test di rumore e vibrazioni di ogni tipo, in tutti i settori
Aerospaziale - Test di rumore del motore a reazione
Trasporti - Registrazione di urti e vibrazioni durante il trasporto di oggetti fragili
Automobilistico - rumore del motore, test del rumore pass-by, test del rumore dei freni
Medicale - studi sull'impatto del rumore ambientale, test dell'udito
Sensori microfono Pro e contro
| Vantaggi del Microfono | Svantaggi del Microfono |
|---|---|
| Connessione semplice - vengono utilizzati cavi BNC 50Ω ampiamente disponibili | Sensore relativamente costoso |
| Disponibile in diversi tipi per diverse applicazioni | Può essere danneggiato se lasciato cadere o maneggiato male |
| Facile da installare | Alcuni microfoni richiedono l'alimentazione phantom dal condizionamento del segnale |
Trasduttori di Corrente
Insieme alla tensione, la corrente è una delle forme di energia fondamentali che misuriamo a fini di monitoraggio e analisi. L'energia è di fondamentale importanza, che si tratti di testare la qualità dell'energia della rete elettrica, o il consumo di energia di un'automobile ibrida elettrica, o di una macchina.
Per livelli di corrente da piccoli a medi, possiamo usare shunts di corrente per convertire la corrente in tensione. Uno shunt è fondamentalmente un resistore che viene installato direttamente nel circuito in cui vogliamo misurare la corrente.
La maggior parte degli altri tipi di sensori e trasduttori di corrente sul mercato funzionano tramite induzione elettromagnetica o metodi analoghi che permettono di effettuare la misura SENZA interrompere il curcuito elettrico. Ciò consente di misurare correnti molto più elevate. Di seguito è mostrata una tipica pinza amperometrica: un dispositivo che rileva e misura il campo elettromagnetico creato da una corrente. L'uscita del sensore è una tensione proporzionale che il nostro sistema DAQ può visualizzare, memorizzare e analizzare successivamente.
Esistono bobine Rogowsky flessibili che sono facili da installare anche in luoghi in difficili da raggiungere o quando si desidera scollegare il circuito. Esistono anche sensori di flusso zero e fluxgate per applicazioni ad alta precisione, in particolare quelli in termini di qualità dell'alimentazione e ambiti correlati. Esiste una vasta gamma di sensori e trasduttori di corrente, appositamente progettati per tutti i tipi di applicazioni.
Pro e contro dei trasduttori di corrente
| Vantaggi dei Trasduttori di Corrente | Svantaggi dei Trasduttori di Corrente |
|---|---|
| Modelli a morsetto facili da collegare ai cavi AC | Sensore relativamente costoso |
| I modelli FLEX Rogowski sono facili da inserire in luoghi difficili da raggiungere | I morsetti DC, i sensori Rogowsky e Flux richiedono alimentazione esterna |
| Morsetti passivi e alimentati per applicazioni AC | / |
| Funzionamento di lunga durata | / |
Trasduttori di Tensione - Trasduttore di Potenziale
Insieme alla corrente, la tensione è una delle forme di energia fondamentali che misuriamo a fini di monitoraggio e analisi. L'energia è di fondamentale importanza, sia che si tratti di testare la qualità dell'energia della rete elettrica che il consumo di energia di un'automobile ibrida elettrica, o di una macchina.
Quasi tutti i sistemi DAQ e data logger nel mondo possono accettare direttamente tensioni basse e medie nell'intervallo 0-10 V o 0-50 V, quindi non abbiamo bisogno di alcun trasduttore per ridurre questa tensione. Da 50 V a circa 1000 V ci sono condizionatori di segnale disponibili per sistemi DAQ come il modulo SIRIUS-HV, che possono accettare direttamente e in sicurezza queste tensioni e abbassarle internamente in modo che possano essere digitalizzate, visualizzate e memorizzate.
Ma a tensioni più elevate, o comunque, quando sono presenti correnti e tensioni potenzialmente pericolose, è essenziale utilizzare un trasformatore di alta tensione per ridurre l'alta tensione e isolare l'operatore umano durante i test da tensioni e correnti pericolose. Tale dispositivo è chiamato trasduttore di tensione (TV) o trasduttore di potenziale (TP).
But at higher voltages, or in any case, when life-threatening currents and voltages are present, it is essential to use a high voltage transformer to step down the high voltage and isolate the human test operator from dangerous voltage and current. Such a device is called either a Voltage Transformer (VT) or a Potential Transformer (PT).
Il tipico TV utilizza un trasformatore per ridurre un potenziale molto elevato, anche superiore a 10 kV, portandolo ad un livello di sicurezza. Può essere posizionato in serie o attraverso il circuito da monitorare. L'avvolgimento primario del trasformatore ha un maggiore numero di giri rispetto al secondario.
Poiché il sistema DAQ collegato ha in genere un'impedenza molto elevata, al suo interno scorrerà una corrente molto bassa, quindi l'avvolgimento secondario del TV non subisce quasi alcun carico. La maggior parte dei TV presenta un output tra 50 e 200 V, che quasi tutti i sistemi DAQ possono accettare.
I TV sono disponibili per uso esterno e sono anche progettati per uso interno. Ci sono anche quelli progettati per applicazioni di misurazione elettrica. Esiste anche un'alternativa al tipo di trasformatore puro che utilizza un banco di condensatori dopo un trasformatore intermedio per ridurre ulteriormente la tensione. Questi possono essere meno costosi perché il trasformatore intermedio con rapporto step-down relativamente basso è meno costoso rispetto al trasformatore con avvolgimenti convenzionale con un elevato rapporto step-down.
Una terza variante è il TV ottico. I TV ottici si trovano generalmente nelle sottostazioni elettriche e spesso non nelle applicazioni DAQ. Poiché operano in base al principio dell'effetto Faraday, per cui la polarizzazione della luce è influenzata direttamente da un campo magnetico, questi sono intrinsecamente isolati. Sono anche estremamente precisi.
Applicazioni dei Trasduttori di Tensione
Prove su linee elettriche ad alta tensione di Produzione e distribuzione di energia, sincronizzazione dei generatori con la rete elettrica principale,
Aerospaziale - test del motore e del sistema di alimentazione
Automobilistico - test del sistema elettrico, test del motore ibrido ed elettrico
Trasporti - vagoni elettrici della metropolitana, prove su terza rotaia e pantografo, centri di distribuzione dell'energia elettrica
Trasformatori di tensione Pro e contro
| Vantaggi dei Trasduttori di Tensione | Svantaggi dei Trasduttori di Tensione |
|---|---|
| Forniscono la sicurezza essenziale all'ingegnere e al tecnico addetto ai test | Può essere costoso |
| Facile da usare | / |
| La maggior parte dei modelli non richiede alimentazione esterna | / |
| Funzionamento di lunga durata | / |
Sensori Ottici
Nel mercato dei sensori, oggi, esistono diverse applicazioni per l'ottica:
Luce Sensibile, IR e UV
Rilevare la Distanza, l'Assenza / Presenza di un Oggetto
Sostituzione dei Sensori Convenzionali
Luce Sensibile, IR e UV
Esistono innumerevoli applicazioni per rilevare o misurare la quantità di luce ambientale attorno al sensore. Gli esempi più ovvi includono interruttori automatici per spegnere o accendere le luci: ciò richiede un fotorilevatore.
Anche i nostri telefoni cellulari dispongono di un sensore di luce che consente di regolare automaticamente la luminosità dello schermo. La maggior parte delle auto oggi accendono i loro fari automaticamente quando la luce del giorno finisce e persino accendono / spengono le luci abbaglianti di notte quando viene rilevato un veicolo in avvicinamento. Le telecamere automatiche misurano la luce ambientale per impostare correttamente l'esposizione.
Le principali tecnologie utilizzate per le applicazioni sopra elencate (e altro) includono il fotovoltaico, le fotocellule aka fotoresistori. Questi sono progettati per rilevare e misurare la luce.
E sebbene la maggior parte di questi sensori siano progettati per lo spettro visibile umano, alcuni sono progettati per funzionare all'interno dello spettro infrarosso (IR) e persino dello spettro ultravioletto (UV). Lo spettro IR è ciò che usano molti sistemi robotici, così come i nostri telecomandi televisivi a casa. La radiazione IR non può essere vista dall'occhio umano, ma può essere dannosa per i nostri occhi ad alte dosi, quindi rilevarla è importante per motivi di sicurezza in molte altre applicazioni.
Una fotocellula, chiamata anche fotoresistenza o LDR (resistore dipendente dalla luce) può rilevare la presenza e la quantità di luce a grazie alle sue variazioni in uscita che risultano proporzionali alla quantità di luce incidente sulla fotocellula, che solitamente è composta da solfuro di cadmio. Quando la fotocellula non è esposta alla luce, la sua resistenza è estremamente alta. Ma quando la luce colpisce la fotocellula la sua resistenza decresce proporzionalmente alla quantità di luce.
Abbinato ad un appropriato condizionamento del segnale, può essere utilizzato come sensore on / off o per misurare l'intensità della luce. Basandosi sulla chimica della fotocellula, queste fotocellule piccole ed economiche possono rilevare fino allo spettro infrarosso.
Rilevare la Distanza, l'Assenza / Presenza di un Oggetto
I fotorilevatori, ovvero i sensori di prossimità, così come il fotodiodo, sono basati su semiconduttore, e vengono utilizzati per misurare la distanza da o tra gli oggetti e anche per rilevare la presenza o l'assenza di un oggetto.
Questi vengono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni industriali, comprese le linee di processo in fabbrica, assicurandosi che gli oggetti siano distanziati correttamente su una cinghia, o per rilevare quando un nuovo oggetto è posizionato su una cinghia di assemblaggio. Sono inoltre utilizzati in applicazioni automobilistiche, rilevando la presenza di un'altra auto o oggetto, nonché sistemi di allarme e unità (drives) CD e DVD.
Sostituzione dei Sensori Convenzionali
l livello successivo consiste nell'utilizzare l'ottica per eseguire il rilevamento, aumentando e sostituendo i sensori della tecnologia convenzionale quali estensimetri, accelerometri, sensori di temperatura e altro ancora. Ulteriori informazioni su questa nuova tendenza verranno aggiunte a questo articolo nel prossimo futuro, quindi ricontrolla.
Trasmissione a Fibra Ottica
Oltre alle prestazioni del sensore, un altro vantaggio è la trasmissione in fibra ottica dei dati del sensore stesso rispetto all'utilizzo di cavi in rame.
Oggi, le fibre ottiche vengono utilizzate per inviare segnali da un punto all'altro al posto della trasmissione ellettrica. Lo vediamo anche nelle nostre case, dove la fibra viene utilizzata per portare la televisione e Internet nelle nostre case a velocità di trasmissione superiori al cavo convenzionale. La trasmissione in fibra ottica offre inoltre numerosi vantaggi distinti rispetto alla trasmissione elettrica, tra cui:
Immunità alle interferenze magnetiche
Immunità alla resistenza e al riscaldamento
Percorso di trasmissione del segnale molto lungo senza perdita di segnale
I cavi di segnale multipli possono essere ridotti a un singolo cavo sottile
Larghezza di banda molto elevata
Applicazioni dei Sensori Ottici
Accensione / spegnimento automatico delle luci, sistemi di allarme
Applicazioni di processo in fabbrica, linee di assemblaggio, sistemi di trasporto
Robotica, direzione del movimento e rilevamento
Rilevatori di fumo
Analisi di campioni medici
Telemetri laser, occhiali per la visione notturna
Apriporta automatici
Sensori ottici Pro e contro
| Vantaggi dei Sensore Ottico | Svantaggi dei Sensori Ottici |
|---|---|
| La trasmissione in fibra ottica ha una velocità molto elevata e non è soggetta a interferenze elettromagnetiche e nè ad altre forze esterne | Le fotocellule (dette fotoresistori) sono relativamente lente per reagire ai cambiamenti di luce |
| I sensori ottici sono senza contatto e quindi di lunga durata | / |
| La maggior parte dei sensori ottici sono economici e abbastanza piccoli | / |
Fotocamere
Pensiamo alle macchine fotografiche come a qualcosa che serve solo per scattare foto o filmati, ma sono ampiamente utilizzate in tutti i tipi di applicazioni industriali e scientifiche. Le fabbriche utilizzano telecamere a sensore di immagine singole e continue (dette videocamere) per monitorare e controllare un'ampia varietà di processi di fabbricazione e catena di montaggio.
Le telecamere sono anche una parte importante delle applicazioni del sistema di misura DAQ. In effetti, tutti i sistemi DAQ realizzati da Dewesoft possono utilizzare una o più videocamere e registrare video in sincronia con i dati analogici e digitali che stanno registrando.
Fotocamere Professionali vs. di Consumo
Da una parte, è possibile utilizzare una webcam molto economica per aggiungere un video alle registrazioni in alcuni sistemi DAQ. Ma dall'altra parte ci sono telecamere di livello industriale con obiettivi migliori e la possibilità di sincronizzare il frame-rate della telecamera con il processo in fase di registrazione e / o con la frequenza di campionamento dell'acquisizione dei dati.
Ad esempio, la DS-CAM-600 mostrata qui può produrre fino a 336 fotogrammi al secondo con risoluzione Full HD e fino a 600 fotogrammi al secondo se la dimensione dell'immagine viene ridotta. La fotocamera è inoltre isolata secondo IP 67 in modo da poter essere utilizzata in ambienti umidi, polverosi e difficili. All'interno dei sistemi di acquisizione dati Dewesoft, è possibile utilizzare più telecamere contemporaneamente, fornendo angoli di visualizzazione diversi degli oggetti sottoposti a test.
Quando Dewesoft ha aggiunto la webcam comune ai suoi sistemi DAQ nei primi anni 2000, ha rivoluzionato completamente il mercato DAQ. Il passo logico successivo consisteva nell'utilizzare telecamere industriali i cui frame rate potevano essere controllati con precisione e che offrivano una migliore risoluzione e velocità.
Anche il montaggio meccanico e la robustezza sono fondamentali per qualsiasi sensore, e questo è stato realizzato nelle migliori telecamere industriali di visione industriale.
Telecamere a Infrarossi o Termiche
Le telecamere a infrarossi alcune volte sono utilizzate anche in applicazioni scientifiche e industriali e rappresentano un altro sensore importante per le applicazioni DAQ. Le telecamere a infrarossi all'interno del loro campo visivo possono "vedere" le temperature, quindi rappresentano un modo perfetto per misurare la temperatura senza alcun
Esportazione di file di dati da Dewesoft X utilizzando dati analogici sincronizzati, telecamere standard e IR
Gli infrarossi sono estremamente utili nella risoluzione dei problemi nelle centrali elettriche perché alimentatori e generatori con temperatura più elevata del normale indicano un problema. Usando telecamere IR è possibile rilevare eventuali problematiche.
Lo stesso vale per i test sui freni automobilistici, in cui le telecamere IR consentono di misurare la temperatura precisa dei freni durante il funzionamento e misurare con precisione la velocità con cui si riscaldano e si raffreddano in una varietà di condizioni. Vengono sempre più utilizzati in ADAS (sistemi avanzati di assistenza alla guida), in quanto consentono all'auto di rilevare persone e altre fonti di energia termica prima che vengano visualizzate, soprattutto di notte.
Oggi, essere in grado di "vedere" in uno spettro completamente diverso apre molte possibilità, praticamente, in ogni applicazione di test e misura. Il produttore più noto di telecamere IR è FLIR e Dewesoft ha integrato perfettamente molte delle loro telecamere nei propri sistemi di acquisizione dati in modo che i dati termografici continui possano essere acquisiti in sincronia con i dati del sensore analogico e digitale, come mostrato nell'esempio sopra.
Telecamere ad Alta Velocità
Le telecamere ad alta velocità sono utili per catturare eventi che cambiano molto velocemente. Probabilmente avrete visto il replay al rallentatore di un palloncino che scoppia o un proiettile che colpisce un bicchiere d'acqua: quei video sono stati catturati con videocamere ad alta velocità.
Le telecamere ad alta velocità di Photron catturano fino a 500.000 immagini al secondo. Questi dati vengono acquisiti nella RAM e sono immediatamente disponibili per la riproduzione. È possibile sincronizzare i sistemi di acquisizione dati Dewesoft con le telecamere Photron in modo che siano entrambi attivati contemporaneamente e, al termine del test, il video ad alta velocità viene immediatamente trasferito al sistema DAQ Dewesoft e sincronizzato automaticamente con gli altri dati. Puoi riprodurlo in perfetta sincronia con tutti i dati di altri sensori.
Video da un test dell'interruttore dei fusibili che utilizza l'apparecchiatura e il software DAQ Dewesoft
Sommario
Le telecamere forniscono un contesto unico ai dati che gli ingegneri registrano, aggiungendo un livello vitale di informazioni e comprensione a innumerevoli applicazioni di ricerca e test.
Applicazioni del Sensore Fotocamera
Telecamere industriali: Automazione di fabbrica e controllo di processo; test di rumore pass-by automobilistico, test in galleria del vento, test sui freni; test di superficie di controllo aerospaziale, test di scorrimento di fuga, test del motore
Telecamere a InfraRossi: energia e potenza, ADAS automobilistico (sistemi avanzati di assistenza alla guida)
Telecamere ad Alta-velocità: Test balistici; ricerca fluidodinamica; prove sui materiali; crash test automobilistico; test aerospaziali in galleria del vento
Pro e contro dei sensori della fotocamera
| Tipo di Sensore | Vantaggi del Sensore Fotocamera | Svantaggi del Sensore Fotocamera |
|---|---|---|
| Telecamere industriali: | Protezione ambientale IP67; uscita sincronizzata; frame rate fino a 600 fps; confronto diretto dei dati del sensore con le immagini degli oggetti in prova; lenti intercambiabili | Più costose rispetto le webcams |
| Telecamere a Infra | Misurazione della temperatura senza contatto; confronto diretto dei dati dei sensori con le immagini termiche in tempo reale | Costoso; IR non può "vedere" attraverso il vetro |
| Telecamere ad Alta-velocità | : Velocità di acquisizione fino a 500.000 fotogrammi al secondo | Molto costoso; breve durata di registrazione a causa delle elevate frequenze di campionamento; richiede molta luce ambientale sul soggetto o una luce DC |
Sensori Digitali
Quando parliamo di sensori digitali, ci riferiamo a quei sensori che presentano valori discreti in uscita, di solito correlati alla posizione lineare o angolare, nonché a quei sensori che vengono utilizzati per rilevare la vicinanza di un oggetto. Diamo un'occhiata ai sensori digitali più comunemente usati.
Sensori di Prossimità
Un sensore di prossimità è in grado di rilevare un oggetto vicino senza entrare in contatto con esso, quindi emettere un segnale di impulso o tensione. Esistono diversi tipi di sensori di prossimità, questi vengono scelti in base alla composizione degli oggetti che devono essere rilevati.
Encoder Rotativi
Un encoder rotativo offre in genere un'eccellente risoluzione angolare, poiché sono disponibili con migliaia di passi per giro di 360 °, il che consente passi molto più piccoli di 1 °. Molti codificatori possono anche rilevare il senso di rotazione, che risulta essenziale in alcune applicazioni.
Encoder Incrementali
Gli encoder incrementali riportano cambiamenti relativi di posizione e direzione - non tengono traccia della posizione assoluta (angolo).
Gli encoder incrementali emettono segnali A e B, che indicano cambiamenti nei movimenti e nella direzione. Alcuni di loro sono in grado di essere azzerti o riferiti a una posizione particolare. Quando viene raggiunta questa posizione, viene generato un segnale di uscita Z aggiuntivo. Gli encoder incrementali sono i tipi più comuni e popolari di encoder.
Encoder Lineari
Un encoder lineare misura la posizione lungo un percorso lineare. A differenza di un encoder rotativo che ha una piastra circolare all'interno che gli consente di misurare la posizione dell'albero, la maggior parte degli encoder lineari si sposta lungo una scala esterna e determina la propria posizione dai segni sulla scala.
Un esempio perfetto è una stampante a getto d'inchiostro, che utilizza un codificatore lineare per spostare con precisione la testina di stampa avanti e indietro lungo una scala durante la stampa. L'alta risoluzione e l'accuratezza sono ovviamente richieste in questa e in innumerevoli altre applicazioni.
La tecnologia di rilevamento più diffusa utilizzata con gli encoder lineari è ottica, tuttavia ci sono encoder che impiegano anche la tecnologia magnetica, capacitiva e induttiva. Gli encoder ottici offrono la massima precisione e la massima risoluzione possibile, tuttavia, è necessario prestare attenzione per evitare che i contaminanti interferiscano con il loro funzionamento.
Esistono encoder lineari con uscita sia analogica che digitale. I sistemi Dewesoft sono più adatti alle uscite digitali poiché forniscono uscite A e B molto simili agli encoder rotativi incrementali come descritto nella sezione precedente.
Ruote foniche
Questo sensore ad angolo è costituito da un ingranaggio con denti attorno alla sua circonferenza più un qualche tipo di sensore di prossimità posizionato in modo tale che quando passano i denti vengano rilevati. Questo sensore di prossimità è in genere di tipo effetto Hall, ma è possibile utilizzarne anche altri. L'ingranaggio deve essere montato sull'albero rotante che vogliamo monitorare.
Il sensore di prossimità ad effetto Hall rileva la variazione del flusso presente nello spazio d'aria tra un magnete e il passaggio dei denti degli ingranaggi ferrosi. Nei sistemi moderni, il segnale viene convertito in un'onda quadra binaria che è immune ai requisiti di orientamento e può seguire la velocità dell'ingranaggio fino a un arresto completo ... e rilevare il primo dente dell'ingranaggio che passa immediatamente all'accensione.
La maggior parte dei sensori ad effetto Hall è in grado di rilevare non solo il passaggio dei denti degli ingranaggi, ma può anche essere utilizzato per rilevare fori nei dischi e nelle piastre, caratteristiche ferrose (ad es. Bulloni) aggiunti a un'ampia varietà di dischi e piastre, tacche negli alberi di trasmissione e negli alberi a camme.
Applicazioni dei Sensori Digitali
Sensori di Prossimità: Conteggio del numero di giri dell'albero rotante (applicazioni del tachimetro); conteggio delle parti che passano attraverso la linea di produzione; Rilevamento del veicolo di intersezione (sepolto nella strada)
Encoder Rotativi: Misurazione della velocità di motori, nastri trasportatori, sistemi di riempimento, sistemi pick and place; misurazioni di velocità, posizione e distanza della macchina (tessili, cellulosa e carta, produzione di metalli)
Encoder Lineari: macchine CNC; stampanti a getto d'inchiostro; scanner laser; sistemi di produzione pick-e-place; robotica
Sensori a Ingranaggio: misura RPM degli alberi rotanti; analisi della combustione del motore; studi sulle vibrazioni torsionali e rotazionali
Pro e contro del sensore digitale
| Tipo di Sensore | Vantaggi Sensori Digitali | Svantaggi Sensori Digitali |
|---|---|---|
| Sensori di Prossimità | Molto affidabile; a basso costo; i tipi capacitivi possono anche essere usati per misurare lo spessore; i tipi induttivi non sono influenzati da acqua, fango, ecc. | Distanze di rilevamento limitate (~ 70mm); richiede alimentazione esterna |
| Encoder Rotativi | Alta velocità / bassa latenza; alta risoluzione; altamente affidabile e preciso | Interferenza RF ed EM possibile con encoder magnetici; interferenze luminose possibili con encoder ottici |
| Encoder Lineari | Come per gli encoder rotativi | Come per gli encoder rotativi |
| Sensori a Ingranaggio | In genere molto robusto e difficile da rompere; costi iniziali e operativi molto bassi | Distanze di rilevamento limitate; risoluzione angolare limitata rispetto agli encoder, che può fornire centinaia o migliaia di passaggi attorno alla rotazione di 360 ° di un albero. |
Sommario
Ci auguriamo che abbiate compreso meglio quali sono i sensori, come funzionano e come possono essere applicati in una gamma davvero incredibile di applicazioni di monitoraggio e test. La tecnologia dei sensori va sempre avanti, rendendo questi sensori sempre migliori, e trovando modi ancora più efficienti per effettuare misurazioni accurate e ripetibili. La stessa tecnologia basata su sensori è in continua evoluzione.
Certamente questo articolo ha solo graffiato la superficie. Oggi ci sono molti più sensori disponibili, compresi i sensori ultrasonici che usano onde ultrasoniche riflesse per misurare la distanza, sensori chimici per rilevare gas e vapori e molti altri ancora.
