Alla scoperta dei sensori parte 2

Nel post precedente avevamo parlato dei sensori resistivi e delle loro applicabilità in svariate applicazioni fisiche. Nonostante la loro elevata flessibilità di adattamento, i sensori resistivi hanno un punto debole: la temperatura. In effetti anche per un potenziometro il valore può essere falsato se sottoposto ad elevate temperature. La famiglia di trasduttori che presento nella seconda parte di questa guida sono i trasduttori Reattivi, più specificamente quelli Capacitivi e quelli induttivi.

I sensori capacitivi presentati sono 3:
• Sensori di posizione/Rotazione
• Sensori di livello
• Sensori di presenza
• Sensori di pressione

La relazione fisica alla base dei trasduttori capacitivi è la seguente:
C=\varepsilon *\frac{S}{d}(1)
Dove \varepsilon è la permettività dielettrica, S è la superficie di un armatura e d è la distanza tra le due armature.
Modificando questi parametri possiamo progettare un trasduttore in grado di rilevare una posizione, una distanza o la presenza di un ostacolo.

Trasduttori di Posizione

I trasduttori di posizione sfruttano la traslazione delle armature (varia il parametro S) che porta a modifiche della superficie utile. Gli scorrimenti possono essere traslatori o rotativi, caratteristica che distingue rispettivamente i trasduttori di posizione lineare e angolare.


Uno svantaggio per questi tipi di trasduttori è dato dalla presenza degli effetti di bordo. A volte tali effetti collaterali attuano una specie di prolungamento fittizio dell’armatura superiore che compromette la misurazione del parametro S.

Il campo di misura di tale trasduttore dipende dall’allungamento cinescopio massimo, oltre il quale si giunge al danneggiamento del trasduttore.

Sensori di livello
Abbiamo due tecnologie di sensori di livello basati sul sistema capacitivo.
Il primo trasduttore di cui voglio parlare è il trasduttore capacitivo ad immersione.


Immaginiamo un condensatore con due armature lunghe quanto l’altezza di una cisterna, e che usino come dielettrico il liquido contenuto all’interno. Versando il liquido la capacità del condensatore varia, poiché funge da dielettrico. In breve tale trasduttore ha come principio di funzionamento la variazione di dielettrico tra le armature. Il limite di tale trasduttore è che il fluido contenuto nella cisterna deve essere isolante e la permettività del fluido deve essere maggiore di quella del vuoto. La capacità in realazione all’altezza di liquido contenuto soddisfa la seguente relazione:
C(h_{1})= C_{0}*[1+\frac{\varepsilon_{1}}{\varepsilon_{0}}*\frac{h_{1}} {H}]

Sensore di livello capacitivo
Riprendiamo la relazione (1), In questo trasduttore viene sfruttato il metodo delle immagini. Ponendo sotto ad un potenziale comune il livello del fluido (necessariamente conduttore), viene creata una carica immagine simmetrica a quella reale e la grandezza che subisce una variazione risulta essere proprio la distanza tra le due armature.


In realtà soltanto una delle due armature è reale, l’altra è un’immagine. Con un trasduttore di questo tipo si possono verificare due problematiche:
• Carica immagine troppo lontana, sempre dalla relazione (1) vediamo che se d tende ad infinito la capacità di carica risulterà nulla.
• Carica immagine troppo vicina, in questo caso, se il dispositivo di alimentazione è affidato ad un oscillatore , quando aumenta la capacità viene arrestata la libera circolazione, fenomeno che segnala la presenza di un livello entro la distanza di attivazione.

Sensori di pressione
Utilizzando sempre la relazione (1), con la geometria seguente:


possiamo sfruttare sempre la diminuzione della distanza d, per effetto della pressione agente sulla membrana /armatura mobile collocata frontalmente ad una armatura fissa.

Sensori induttivi

I sensori induttivi sono usati principalmente come rilevatori di presenza, ma prima di spiegare il funzionamento dobbiamo riprendere alcuni concetti di elettromagnetismo.

Il fenomeno sfruttato dai sensori induttivi è la Riluttanza magnetica.

La riluttanza magnetica è la capacità di un corpo di opporsi al transito in un flusso magnetico. Sapendo che il coefficiente di autoinduzione, più comunemente detta induttanza ed indicata con L, dipende dalla riluttanza magnetica (R) allora possiamo scrivere:
L=\frac {N^2} {R}
Dove N è il numero di spire dell’avvolgimento e la Riluttanza dipende dalla composizione del traferro.
Ora sappiamo che la riluttanza ha una certa relazione con il flusso magnetico ossia:

 
\phi =\frac {H}{R}  
quindi questo significa che se ci sono delle variazioni di riluttanza c’è anche una variazione di flusso, che per la legge di Faraday-Lenz comporta una certa fem (V):

V= N*H*\frac{\partial \frac{1}{R}}{\partial t}

In realtà non possiamo rilevare con precisione una posizione, ma soltanto la presenza di un corpo metallico. Questo perché normalmente il dispositivo ha come alimentatore un oscillatore collegato alla bobina (che genera il flusso magnetico). L’oscillatore non ha una potenza molto elevata, ma può garantire l’oscillazione per potenze piccole. Dato che all’interno dell’azionatore circolano delle correnti di Foucoult, queste provocano un ulteriore dispersione di potenza che arresta la libera oscillazione e tale evento segnala la presenza di un azionatore .

Se vi siete persi la prima parte la potete ritrovare qui

 

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Vincenzo Cicogna

Editore e autore di questo blog di notte, sviluppatore software per sistemi embedded di giorno, passa il suo tempo a dilettarsi ed approfondire le dinamiche del mondo.

Appassionato di droni e tuttala, si diletta di tanto in tanto a scattare qualche foto in giro per il mondo o a leggere qualche libro.

Ama viaggiare, fotografare e condividere le sue produzioni.


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By Vincenzo Cicogna | agosto 26th, 2011 | LEAVE A COMMENT