L' accuratezza indica quanto la grandezza misurata si discosta dal valore vero. Tracciata la curva di taratura dello strumento, cioè l'andamento del valore vero della grandezza nell'intero campo di misura, l'accuratezza è un valore che definisce lo scostamento massimo di una qualsiasi lettura.
Una definizione, in valore %, è: e% 100*(M-V)/V essendo M il valore misurato dal sensore e V il valore vero. Quest'ultimo in realtà non si conosce ed allora spesso l'accuratezza è definita come lo scostamento massimo percentuale riferito al valore massimo misurabile dallo strumento (Mfs:valore di fondo scala). Dunque e%=100*(M-V)/Mfs . Talvolta si indica l'accuratezza con il valore assoluto massimo dello scostamento.
La precisione indica il grado di riproducibilità della misura. Immaginando cioè di misurare lo stesso valore più volte nelle stesse condizioni, la precisione indica il massimo scostamento tra una misura qualsiasi ed il valore medio ottenibile dal sensore in una serie di misure.
La rangeability indica qual è la porzione del campo di misura per la quale si devono intendere valide l'accuratezza e la precisione dichiarate. In genere è dato come rapporto tra il valore di fondo scala ed il valore inferiore accettabile.
La sensibilità èdata dal rapporto tra la variazione della misura (l'uscita) e la corrispondente variazione della grandezza da misurare (l'ingresso)
La risoluzione è il rapporto tra la più piccola variazione dell'ingresso misurabile e l'intero campo di misura.
La caratteristica statica è un grafico che esprime il valore dell'uscita in funzione dell'ingresso. Se la curva in un certo campo di valori non si discosta da una retta in misura superiore all'accuratezza, il sensore si dice lineare. Il guadagno statico di un sensore lineare coincide con la sensibilità
La caratteristica dinamica serve a conoscere con quale ritardo il sensore fornisce la misura della grandezza quando essa subisce un'improvvisa variazione. E' definita dalla funzione di trasferimento di cui i costruttori forniscono i parametri più caratteristici: banda passante, tempo di risposta, eventuali risonanze.
Per la misura di temperatura i sensori più diffusi sono le termocoppie (TC). Sono costituite da due fili metallici diversi, uniti ad una estremità ed inseriti in una guaina protettrice che viene immersa in un fluido o conglobata nel metallo di cui si vuol misurare la temperatura. La giunzione si trova ad una temperatura Tc e le estremità dei due fili ad una temperatura Tf. Tra queste due estremità si manifesta allora una forza elettromotrice, detta di Seebeck, che dipende dalla differenza di temperatura Tc-Tf. Le termocoppie in commercio forniscono il valore della forza elettromotrice in funzione di Tc, considerando Tf = 0, in forma gabellare, per ogni grado centigrado. Il grafico che si ottiene è sufficientemente lineare e costituisce la caratteristica statica. Sono economiche, relativamente poco accurate ed hanno tempi di risposta un po' lunghi.
Come noto la resistenza elettrica di un conduttore dipende dalla temperatura in modo lineare, anche se la sensibilità è piuttosto piccola. Per estesi campi di temperatura la dipendenza è approssimata con leggi polinomiali in cui compaiono il quadrato ed il cubo della temperatura. Il tipo più usato è il PT100, un dispositivo di filo di Platino che ha una resistenza nominale di 100 ohm ed una sensibilità di 0,4 ohm/°C. Possono essere impiegati per un range di temperatura che va da �180°C a +800 °C. In genere La variazione di resistenza è trasformata in una tensione, ad esempio facendola percorrere da una corrente costante e misurandone la tensione ai capi, oppure utilizzando un ponte di Wheatstone. Quest'ultimo è costituito da un quadrilatero di resistenze; una di esse è la RTD. Ai vertici del quadrilatero si applica una tensione, mentre tra gli altri due vertici si preleva una tensione che dipende dal valore assunto dalla RTD
Sono dispositivi a semiconduttore o a ossido metallico e possono presentare una variazione percentuale di resistenza per ogni grado di temperatura del 5% il che permette di misurare anche il centesimo di grado. Possono avere coefficiente di temperatura positivo (PTC) o negativo (NTC) . Hanno un'accuratezza maggiore delle termocoppie, sono più rapidi nella risposta, ma hanno un campo di misura più ristretto. Non sono lineari, e come per le RTD la variazione di resistenza è trasformata in tensione mediante un ponte di Wheatstone. Hanno valori di resistenza abbastanza elevati, il che li rende abbastanza insensibili ai cavi di collegamento, problema invece sentito dalle RTD per le quali occorre predisporre collegamenti al ponte mediante tre fili (cioè il vertice del ponte deve essere un terminale della RTD), soprattutto quando i cavi di collegamento sono molto lunghi (centinaia di metri).
TRASDUTTORI
I trasduttori sono dei dispositivi che trasformano una grandezza fisica in una grandezza di altro tipo, generalmente elettrica, al fine di poterla misurare o di poterla confrontare con una grandezza della stessa natura.
Le principali caratteristiche di un trasduttore sono:
1. Campo di funzionamento: è l’intervallo di valori che il trasduttore può accettare conservando le sue caratteristiche di precisione e senza che esso venga danneggiato.
2. Risoluzione: in un trasduttore l’uscita non varia mai con continuità, ma presenta sempre una discontinuità, anche se infinitesima, tra un valore e il successivo. Si ha cioè un andamento a gradino per cui si verifica che a due valori di ingresso, tra di loro diversi, corrisponda una stessa uscita.
3. Precisione dello strumento: la classe di precisione di un trasduttore è definita come il rapporto, moltiplicato per cento, tra il massimo errore assoluto che si ha nel campo di misura e il massimo valore misurabile:
4. Linearità: un trasduttore si definisce lineare quando la curva rappresentante il legame tra ingresso ed uscita è una retta: cioè vi è una relazione di proporzionalità tra ingresso e uscita.
5. Sensibilità: viene definita come sensibilità il rapporto tra la variazione della grandezza in uscita e la variazione della grandezza in ingresso. La sensibilità deve essere elevata in modo da garantire in ogni caso una risoluzione maggiore del grado di precisione richiesto.
6. Offset iniziale: è l’eventuale errore che dà il trasduttore in assenza di segnale di ingresso. Se il suo valore è costante non rappresenta un problema in quanto il suo effetto può essere facilmente corretto.
7. Tempo di risposta: il trasduttore può rispondere in ritardo ad un segnale di ingresso; si definisce come tempo di risposta il tempo necessario affinché l’uscita raggiunga, senza oscillazioni, un valore pari al 90% del valore a regime.
8. Condizioni di impiego: vengono definite le caratteristiche limite di impiego entro cui il trasduttore funziona correttamente.
9. Sovraccarico: è il valore massimo del segnale di ingresso, oltre il campo di misura, che può essere applicato senza che il trasduttore si danneggi.
10. Affidabilità: è legata alla variazione dei parametri del trasduttore con l’uso.
11. Vita di un trasduttore: è il tempo espresso in ore, o più spesso in numero di cicli, numero di giri, ecc., oltre il quale non è più garantito il corretto funzionamento del trasduttore.
Trasduttori analogici e trasduttori digitali
I trasduttori possono essere suddivisi in trasduttori analogici e digitali.
- Gli analogici sono trasduttori che danno in uscita un segnale che entro un dato intervallo, varia con continuità.
La dinamo tachimetrica per esempio, con cui si ottiene una tensione di uscita in corrente continua proporzionale alla velocità dell’ albero è analogico: è in grado di dare una misura variabile con continuità per cui potrebbe dare una qualsiasi misura nel suo campo di funzionamento. L’ uscita è sempre del tipo a gradini.
- I digitali invece sono dei trasduttori che danno in uscita un segnale che varia in modo discontinuo e ciascuno differisce dal precedente di una quantità costante. A differenza degli analogici l’ uscita può assumere solo valori discreti, ciascuno dei quali è un multiplo intero di una unità di base E; essa vale di conseguenza:
L’uscita non potrà cioè variare con continuità, ma solo di quantità che sono multiple di E. Un esempio di trasduttore digitale è l’ encoder ottico incrementale, che si basa sul conteggio di impulsi.
Apparentemente un trasduttore analogico sembrerebbe avere una risoluzione migliore di un trasduttore digitale; ciò non è assolutamente vero in quanto possono aversi trasduttori digitali in cui l’unità di base E ha un valore infinitesimo e trasduttori analogici che riescono a rilevare due ingressi come diversi tra di loro solo se la loro differenza “Di” supera un dato limite che può essere anche di molto superiore all’unità di base E del trasduttore digitale.
Trasduttori assoluti e trasduttori incrementali
I trasduttori assoluti generano un segnale che è legato in modo univoco alla grandezza fisica misurata.
Una dinamo tachimetrica è un esempio di trasduttore assoluto in quanto ad una data rotazione corrisponde sempre un valore definito di tensione di uscita.
I trasduttori incrementali, viceversa, generano un segnale che non è legato in modo univoco alla grandezza misurata. Un encoder è un tipico esempio di trasduttore incrementale: la misura di una rotazione viene effettuata tramite un conteggio degli impulsi.
Pertanto ad identiche posizioni del dispositivo di intercettazione rispetto al blocco emettitore-ricevitore possono corrispondere, in tempi diversi, segnali diversi, cioè un diverso numero degli impulsi contati, dovuti all’aver fissato delle origini differenti.
I trasduttori possono essere suddivisi:
1. In funzione delle proprietà fisiche che sono alla base del loro funzionamento.
2. In funzione del loro impiego.
Trasduttori autogeneranti, modulanti, modificatori
Un trasduttore a autogeneratore non richiede alcuna sorgente di energia esterna in quanto sfruttano principi fisici differenti, quali l’effetto termoelettrico, l’effetto fotovoltaico, l’effetto piezoelettrico, ecc.
I trasduttori modulanti richiedono invece una sorgente di energia esterna in quanto essi non producono un segnale direttamente utilizzabile.
Per poter rilevare questa variazione di resistenza è indispensabile applicare una tensione e leggere il valore della corrente.
I trasduttori modificatori sono quei trasduttori in cui la grandezza fisica in ingresso è diversa dalla grandezza fisica in uscita; tuttavia sia in ingresso che in uscita si ha la stessa forma di energia.
A questa categoria appartengono molti trasduttori meccanici quali i trasduttori che utilizzano degli elementi elastici per la misura di forze: applicando una forza all’estremo di una molla si ha una deformazione ad essa proporzionale.
Si ha quindi una grandezza di entrata (forza) differente da quella di uscita (spostamento), ma sia in ingresso che in uscita si è sempre in presenza di energia meccanica.
TRASDUTTORI DI POSIZIONE
I trasduttori di posizione consentono di avere un segnale elettrico da cui si ottiene il valore di uno spostamento.
I più importanti trasduttori di posizione sono i trasduttori elettrici e quelli ottici.
Nei trasduttori elettrici in seguito ad uno spostamento, in funzione del trasduttore, si ha:
1. La variazione di una resistenza elettrica (potenziometri).
2. La variazione del flusso concatenato con un avvolgimento (resolver e inductosyn).
3. La variazione della permeabilità magnetica del mezzo in cui sono immersi due avvolgimenti (trasformatore lineare variabile).
4. La variazione di una capacità (trasduttori di posizione capacitivi).
I trasduttori maggiormente utilizzati nel campo della robotica e delle macchine utensili sono gli encoder ottici, rotativi o lineari, i resolver e gli inductosyn (versione lineare dei resolver); i potenziometri non vengono utilizzati in quanto facilmente usurabili. Per la misura di piccoli o piccolissimi spostamento si utilizzano i trasformatori lineari varabili e, nel caso di misure di alta precisione, i trasduttori capacitivi.
In quelli ottici si ha un disco o una riga in cui sono ricavate una serie di zone opache e di zone trasparenti che costituiscono il sistema di intercettazione. La rotazione del disco e lo spostamento di un cursore nel caso di encoder lineare fa in modo che un raggio luminoso venga intercettato quando incontra una zona opaca e venga lasciato passare quando ne incontra una trasparente. La misura della posizione si ottiene tramite il conteggio di questi impulsi. Oltre agli encoder lineari si hanno anche gli encoder magnetici, a effetto hall o di altro tipo.