Sensori per PLC

Introduzione

Un sensore è un elemento sensibile che converte una grandezza fisica in una grandezza elettrica: I, V, $\Delta$R, $\Delta$C, $\Delta$L. Tale grandezza elettrica va poi condizionata (filtrata, amplificata e/o stabilizzata) per poter essere letta correttamente dal microcontrollore. Le operazioni di condizionamento vengono fatte da componenti elettroniche normalmente presenti a bordo della scheda del sensore.

Il trasduttore è costituito dall’insieme di sensore ed elettronica di condizionamento del segnale. Nella pratica, spesso sensore e trasduttore sono usati come sinonimi, sottintendendo che un sensore si porti dietro anche la relativa elettronica di condizionamento.

$$\boxed{ \begin{gather} \text{trasduttore} \\=\\ \boxed{ \text{sensore} }\\+\\ \boxed{ \text{elettronica di condizionamento} } \end{gather} }$$

Un sensore si sceglie in base a:

• applicazione di utilizzo (cosa misura il sensore),
• tipo di comunicazione di uscita (tensione o corrente analogica, bus di campo, …),
• risoluzione/precisione di misura (valore intero o decimale e con quante cifre significative dopo la virgola),
• tempo di campionamento (ogni quanto tempo serve la misura).

Tipologia di connessione

Come si connette un sensore ad un PLC?

Tipologia di sensore	Modalità di connessione con il PLC
Digitale ON/OFF passivo	due fili: uno per il morsetto di un modulo di ingressi digitali e uno da connettere al pin comune (COM).
Digitale ON/OFF attivo	tre fili: segnale, alimentazione, massa
Digitale con bus di campo	cavo con connettore per il bus di campo o direttamente al modulo di comunicazione
Analogico	due, tre e quattro fili da connettere al modulo degli ingressi analogici e all’alimentazione

I parametri principali di un sensore sono: sensibilità, ripetibilità, campo di misura, isteresi, precisione, risoluzione, cicli di vita, frequenza di commutazione, tempo di risposta.

Tipologie di sensori: presenza, prossimità, finecorsa, luminosità, temperatura, pressione, umidità, concentrazione di sostanze chimiche, portata, livello fluido, distanza, peso, deformazione, campo magnetico, velocità, forza, velocità e direzione del vento (anemometro), pioggia (pluviometro), fumo, presenza di acqua, radioattività, ecc.

Effetti fisici

Effetto fisico utilizzato dal sensore:

• Effetto Seebeck: se una giunzione tra due metalli viene scaldata si produce una differenza di potenziale ai terminali liberi,

• Effetto termoresistivo: la resistenza varia con temperatura,

• Effetto Hall: se si applica un campo magnetico perpendicolarmente ad una superficie conduttrice percorsa da corrente, si genera un campo elettrico,

• Effetto Sonar: un’onda sonora ultrasonica rimbalza sulle superfici,

• Effetto Doppler: la frequenza di un’onda sonora varia al variare della velocità di movimento relativo tra emettitore e ricevitore,

• Effetto ottico/fotoconduttivo: la luce visibile e infrarossa rimbalzano sulle superfici,

• Induzione elettromagnetica: su una bobina immersa in un campo magnetico variabile si produce una corrente,

• Variazione di resistenza/capacità/induttanza con la posizione: la geometria di un circuito fa variare la resistenza/capacità/induttanza del circuito stesso,

• Effetto piezoelettrico: un materiale piezoelettrico, se sottoposto a deformazione meccanica, produce corrente,

• Effetto piezoresistivo: un materiale piezoresistivo, se sottoposto a deformazione meccanica, varia la sua resistenza,

• Effetto magnetostrittivo: un materiale magnetostrittivo, se sottoposto ad un campo magnetico, si deforma.

Effetto Seebeck: termocoppia

Quando una giunzione tra due metalli viene riscaldata si produce ai terminali liberi una differenza di potenziale. Tale tensione è funzione della differenza di temperatura tra la giunzione e i terminali liberi, in base ad una caratteristica che solitamente è non lineare.

In relazione ai metalli usati nella giunzione, le termocoppie vengono classificate secondo lo standard ANSI con lettere maiuscole.

La caratteristica temperatura-tensione della termocoppia è non lineare, soprattutto per escursioni di temperatura rilevanti: $V = f(\Delta T)$.

Per determinare il corretto valore di temperatura a partire dalla misura della tensione è necessario quindi eseguire un’operazione di linearizzazione tramite uno dei seguenti metodi:

1. inversione della relazione $V = f(\Delta T) \implies \Delta T = f^{-1}(V)$,
2. Look-Up Table: ricerca di un valore approssimato memorizzato in una tabella di dati (noti a priori, da osservazioni sperimentali).

La look-up table è preferibile per l’implementazione software su processori dalle prestazioni limitate.

È meno dispendioso fare una query su una tabella di valori, piuttosto che calcolare il risultato di una funzione matematica.

Effetto Termoresistivo: termoresistenza RTD

Le termoresistenze, chiamate RTD (Resistance Thermal Detector), sono dispositivi in cui il valore di resistività varia al variare della temperatura secondo la legge approssimata:

$$R(T) = R_0 (1 + \alpha T)$$

con $R_0$ resistenza nominale (a 0°C).

Le termoresistenze sono costituite da sottili fili di materiale conduttore avvolti su supporti isolati, di forma cilindrica o piatta.

Effetto Hall

Trasduttori di posizione magnetici

Per la rilevazione in forma discreta della posizione, si usano trasduttori sensibili al campo magnetico basati sull’effetto Hall. Questi trasduttori sono impiegati in:

• sensing del campo generato dai magneti del motore (es. brushless),
• rilevazione del campo generato da magneti montati sull’asse.

Quando un campo magnetico viene applicato perpendicolarmente ad una superficie conduttrice percorsa da corrente, si genera un campo elettrico perpendicolare sia al verso di scorrimento della corrente che alla direzione del campo magnetico (vedi Quarta Equazione di Maxwell).

La differenza di potenziale così generata dipende dall’intensità e dalla direzione del campo magnetico e della corrente:

$$V = K \cdot \overline{B} \times \overline{I} = K \cdot |B| \cdot |I| \cdot \sin(\varphi)$$

B (con la soprallineatura) è il vettore del campo magnetico, I è il vettore della corrente, $\varphi$ è l’angolo compreso tra i loro versori e K è una costante che dipende dalla geometria di costruzione del sensore.

K è inversamente proporzionale allo spessore del conduttore: gli elementi sensibili dei sensori ad effetto Hall sono in genere piastrine conduttrici molto sottili.

Questo sensore viene utilizzato per misurare la corrente I, l’angolo $\varphi$ o il campo magnetico B. Tale campo può anche essere generato per induzione da una corrente che scorre in un altro circuito in prossimità della piastrina: si possono realizzare sensori di corrente intrinsecamente isolati (nessun contatto elettrico tra il circuito di misura ed il percorso della corrente da misurare).

Sensori di prossimità magnetici

I sensori di prossimità magnetici rivelano il campo magnetico generato da un magnete permanente montato appositamente sull’oggetto da rilevare. Questi sensori si basano sul principio dei contatti Reed o sull’effetto Hall.

I modelli realizzati con contatti Reed hanno una velocità di commutazione bassa (fino 50 Hz), mentre i modelli realizzati con sensori ad effetto Hall possono commutare a velocità elevate (anche migliaia di Hz). Le portate nominali dipendono dalla potenza del campo generato dal magnete. Questi sensori non possono essere usati in prossimità di grosse fonti elettromagnetiche.

Effetto Reed: sensori magnetici

Il contatto Reed è un interruttore a lamina (normalmente aperto) che si chiude in presenza di un campo magnetico.

All’avvicinarsi di un magnete, nelle due lamine di materiale si generano due polarità opposte, che fanno tendere le due lamine all’avvicinamento.

Ultrasuoni

Sensori di distanza ad ultrasuoni

Questi sensori si compongono di:

• TX: emettitore,
• RX: ricevitore.

Il sensore genera un impulso sonoro propagato dall’emettitore ed attende l’onda riflessa che viene letta dal ricevitore. Le onde sonore rimbalzano sugli oggetti variando direzione e verso. Conoscendo la velocità di propagazione del suono nell’aria e misurando il tempo che intercorre tra segnale emesso e ricevuto (l’eco), si può utilizzare la relazione $s = v \cdot t$ per calcolare la distanza dell’oggetto.

Sensori di prossimità ad ultrasuoni

Lo stesso principio si può usare sulle piccole e sulle grandi distanze. I sensori di prossimità ultrasonici dispongono di funzionalità evolute:

• settaggio della distanza di commutazione,
• uscita analogica per la trasduzione della distanza dell’oggetto rilevato,
• settaggio del campo sensibile,
• programmazione software delle impostazioni dello strumento.

Con prossimità si intende che questi sensori riescono a rilevare i centimetri e anche i millimetri.

La velocità di commutazione di questi sensori di prossimità è bassa, ma si hanno vantaggi significativi:

• portate nominali molto elevate (fino a 10 m),
• immuni ai disturbi elettromagnetici,
• rilevazione di oggetti di qualsiasi materiale (eccetto quelli fonoassorbenti),
• rilevazione di oggetti senza che questi siano stati preventivamente preparati,

Una superficie troppo piccola o orientata malamente (non ortogonale alla direzione di lettura del sensore) può non assicurare la generazione di un’eco rilevabile.

Effetto Doppler: sensori di velocità

L’effetto Doppler è un fenomeno che mette in relazione la variazione di frequenza di un suono con la velocità di movimento della sorgente (nel suono stesso). La velocità di movimento può anche essere intesa anche come avvicinamento o allontanamento tra la sorgente del suono e l’osservatore o il sensore (che percepisce l’effetto Doppler).

Un suono è più acuto quando la sua frequenza è maggiore ed è invece più grave quando la sua frequenza diminuisce.

Quando osservatore e sorgente si avvicinano, il suono percepito dall’osservatore è più acuto del suono originale (la frequenza cresce). Quando invece osservatore e sorgente si allontanano, il suono ha un’acutezza minore del suono originale (la frequenza diminuisce).

Il sensore invia dei segnali a ultrasuoni che vengono rimbalzati dall’oggetto in movimento. Misurando la differenza di frequenza tra l’onda trasmessa e quella ricevuta si riesce a stimare la velocità.

I vantaggi più importanti sono:

• rilevamento senza contatto,
• affidabili in condizioni ambientali critiche,
• rilevamento preciso anche di piccoli oggetti,
• insensibilità a caratteristiche riflettenti e proprietà superficiali dell’oggetto.

Effetto piezoelettrico: sensori inerziali di vibrazione

Il principio di funzionamento di un sensore inerziale è basato sull’inerzia di un corpo che, sottoposto ad un’azione meccanica, tende a spostarsi dalla sua posizione di riposo.

Questo principio viene sfruttato per esempio nei sensori inerziali piezoelettrici. Un rivelatore inerziale piezoelettrico sfrutta le proprietà di alcuni cristalli, i quali generano una differenza di potenziale quando sono sottoposti ad una sollecitazione meccanica.

Questo tipo di rivelatore è solitamente composto da una sottile piastrina contenente uno strato di cristallo di quarzo, che a seguito di un urto (esercitato sulla superficie dove l’inerziale è installato), produce una lieve corrente elettrica. Questa corrente viene gestita e analizzata da un’apposita scheda di elaborazione.

Sensori inerziali di vibrazione trovano applicazione nella manutenzione predittiva di complessi apparati industriali sfruttando la firma vibrazionale come elemento di diagnostica.

Effetto Wiedemann: sensori di posizione magnetostrettivi

I materiali ferromagnetici godono della proprietà di magnetostrizione.

L’applicazione di un campo magnetico a materiali ferromagnetici causa una deformazione della struttura cristallina, risultando in una variazione nelle dimensioni e nella forma del materiale.

Un materiale che possiede una magnetostrizione positiva si espande quando magnetizzato. Al contrario, in presenza di una magnetostrizione negativa, il materiale si contrae.

La magnetostrizione è un effetto bidirezionale: l’applicazione di un campo magnetico causa deformazione fisica e, viceversa, esercitando uno stress fisico su un materiale magnetostrettivo esso varierà le sue proprietà magnetiche. Questo è detto effetto Villari.

Encoder

sensori ottici di posizione

Gli encoder ottici possono essere incrementali o assoluti.

Sono dispositivi costituiti da un disco che ruota solidale ad un organo di trasmissione meccanica (es. albero motore) e da un insieme di trasmettitori (es. led) e rilevatori ottici (es. fotodiodi, fototransistor).

Gli encoder assoluti forniscono la posizione assoluta dell’albero motore all’interno di un angolo giro.

Gli encoder incrementali producono una coppia di onde quadre dalle quali, contandone i fronti di salita, si riesce a calcolare quanti step (“passi”) sono stati fatti rispetto alla partenza. Non sono sensori di posizione assoluta.

Si utilizza una coppia di emettitori di luce (sfasati tra loro) ed una corrispondente coppia di ricevitori (anch’essi sfasati). Il disco ha delle zone in cui passa la luce e permette ai ricevitori di ricevere gli impulsi luminosi. Il fatto di avere due ricevitori sfasati permette di sapere da che parte sta girando il motore. Dati i ricevitori A e B, se il fronte di A sale prima del fronte di B allora il motore sta girando in un verso. Viceversa, se il fronte di B sale prima del fronte di A, allora il motore sta girando nel verso opposto.

Fotocellule

sensori ottici di presenza

Gli interruttori fotoelettrici (o fotocellule) sono sistemi costituiti da un emettitore e da un ricevitore di radiazioni luminose. L’oggetto viene individuato dal cambiamento di stato del sensore.

Nella fotocellula a diffusione (riflessione diretta, tasteggio), emettitore e ricevitore sono all’interno dello stesso involucro: se un oggetto passa in prossimità della fotocellula, diffonde la radiazione luminosa emessa dall’emettitore e viene ricevuta dal ricevitore.

Nella fotocellula a retroriflessione (con catarifrangente), emettitore e ricevitore sono alloggiati in un unico involucro: la radiazione emessa viene riflessa da un catarifrangente posto ad una certa distanza. Se un oggetto si interpone tra involucro e il catarifrangente, interrompe la radiazione che non viene più ricevuta dal ricevitore.

Nella fotocellula a barriera, emettitore e ricevitore sono in contenitori differenti posti l’uno di fronte all’altro: se un oggetto si interpone tra i due, si interrompe la radiazione luminosa generando un cambiamento di stato nel ricevitore.

Ruota fonica

Sensori di prossimità, sensori ad effetto Hall, encoder, fotocellule possono quindi essere usati per la misura di velocità o di posizione relativa rotatoria. Indipendentemente dalla tecnologia impiegata, se un sensore viene usato in modo ON/OFF per la misura di velocità o posizione relativa, si parla di ruota fonica.

Ruota fonica ottica: misura di velocità

Una ruota fonica ottica si ottiene in due modi:

1. encoder ottico incrementale: si deriva la posizione e si ottiene la velocità,
2. mettendo un marcatore catarifrangente su una ruota e rilevando il suo passaggio sul giro con un ricetrasmettitore.

Ruota fonica elettromagnetica: misura di velocità

La ruota fonica è un disco metallico il cui bordo presenta una serie di denti. Questa ruota è calettata su un albero allo scopo di leggerne la velocità di rotazione. La lettura avviene mediante un sensore affacciato sul bordo dentato, a distanza di pochi millimetri. Questo sensore (di tipo elettromagnetico o ad effetto Hall) legge i denti della ruota mentre questi gli passano davanti e genera un segnale elettrico oscillante, la cui frequenza è legata in modo diretto alla velocità di rotazione dell’albero.

Sensore di prossimità

Induttivi: a variazione di induttanza

Il sensore di prossimità induttivo funziona con una variazione di induttanza.

La corrente elettrica che circola nella bobina, genera un campo elettromagnetico oscillante. Quando un oggetto metallico entra all’interno del campo, le correnti parassite indotte fanno diminuire l’ampiezza dell’oscillazione. Quando questa oscillazione diventa inferiore ad una certa soglia, il sensore commuta. L’allontanarsi dell’oggetto metallico restituisce energia al campo elettromagnetico: l’ampiezza dell’oscillazione del campo aumenta fintanto che, al di sopra di una certa soglia, il sensore commuta nuovamente, ritornando nello stato iniziale. Solamente un oggetto metallico genera correnti parassite sufficienti da far variare l’ampiezza dell’oscillazione del campo magnetico generato dal sensore. Un sensore induttivo rileva solamente oggetti metallici e non è invece influenzato dalla presenza di altri materiali.

N.B. L’induttanza della bobina varia a seconda della distanza dalla superficie di un materiale ad elevata permeabilità magnetica. L’induttanza aumenta al diminuire della distanza.

Capacitivi: a variazione di capacità

Il sensore di prossimità capacitivo funziona con una variazione di capacità.

Un sensore di prossimità capacitivo è in grado di rilevare una variazione di capacità. Può essere impiegato per rilevare oggetti sia conduttivi che non conduttivi. La formula di partenza è:

$$C = \epsilon \cdot \frac{A}{d}$$

Rispetto ai sensori di prossimità induttivi, i sensori di prossimità capacitivi sono limitati nella velocità di commutazione (10-50 Hz), ma presentano altri vantaggi:

• portate nominali più elevate (fino a 20 millimetri),
• possibilità di rilevare oggetti non ferromagnetici,
• immunità ai disturbi elettromagnetici.

I sensori di prossimità sono usati anche come finecorsa per pistoni pneumatici.

Resolver ad induzione elettromagnetica

Il resolver è un trasduttore di posizione angolare di alta precisione costituito da una particolare struttura elettromagnetica, simile a quella di una macchina sincrona ad eccitazione separata. Sullo statore sono distribuiti due avvolgimenti con assi a 90°. Sul rotore è posto un avvolgimento il eccitazione percorso da una corrente sinusoidale ad alta frequenza. Il flusso generato dal rotore si concatena con i due avvolgimenti di statore in proporzione rispettivamente al seno ed al coseno dell’angolo di posizione $\theta$. Negli avvolgimenti di statore si generano quindi f.e.m. sinusoidali di ampiezza proporzionale rispettivamente a $\sin(\theta)$ e $\cos(\theta)$. Le tensioni prodotte negli avvolgimenti di statore vengono elaborate da un circuito elettronico (spesso contenuto in un ASIC) che ne rivela le ampiezze relative, ricavandone la posizione angolare $\theta$. Lo stesso circuito calcola anche la velocità angolare $\omega$. I resolver sono normalmente in grado di dare la misura dell’angolo q con alta risoluzione, tipicamente migliore di 6 primi di grado (ossia 6/60), equivalente a 12 bit e grande precisione. I resolver sopportano normalmente temperature e vibrazioni maggiori di quelle ammissibili per gli encoder.

LVDT ad induzione elettromagnetica

Il trasformatore differenziale è un sensore di tipo assoluto disponibile sia in versione rotativa (RVDT: Rotary Variable Differential Transformer) che lineare (LVDT: Linear Variable Differential Transformer).

Il trasformatore differenziale è un sensore “modulante” in quanto richiede un generatore ausiliario per generare una tensione sinusoidale di “eccitazione” per il funzionamento del sensore.

Il Trasformatore Lineare Differenziale funziona in base al principio dell’induzione elettromagnetica.

Dinamo tachimetrica ad induzione elettromagnetica

La dinamo tachimetrica fornisce una tensione di uscita proporzionale alla velocità di rotazione del sensore. Il principio di funzionamento corrisponde a quello del motore elettrico a corrente continua: la parte mobile del sensore è costituita da un circuito elettrico solidale alla parte di cui occorre misurare la velocità. Il circuito elettrico è immerso in un campo magnetico fisso generato da un magnete permanente. Quando il circuito elettrico ruota si viene a generare una tensione ai capi di uscita proporzionale alla velocità di rotazione del sensore.

La dinamo tachimetrica è un sensore di basso costo, fornisce un’informazione assoluta e non necessita di una tensione di alimentazione.

La presenza di spazzole striscianti sul circuito elettrico, usate per prelevare il segnale, ne riduce l’affidabilità e allo stesso tempo peggiora la qualità del segnale di uscita, caratterizzato da oscillazioni generate durante il passaggio delle spazzole sulle zone isolate del collettore.

Cella di carico: sensore di peso ad induzione elettromagnetica

La cella di carico (load cell) è un sensore per la misura della forza peso. La struttura di un sensore di questo tipo può essere basata su sensori:

• spostamento come LVDT,

• deformazione come estensimetri,

• deformazione come estensimetri,

• piezoelettrici.

Estensimetro

sensore di deformazione a variazione di resistenza

L’estensimetro, detto strain gauge, è un sensore che rileva deformazioni meccaniche trasformandole in variazioni di resistività.

La resistenza di un conduttore di resistività $\rho$, lunghezza l e sezione S è:

$$R = \rho \cdot \frac{l}{S}$$

Quando una forza agisce su un estensimetro, questo si deforma in modo tale che:

$$\frac{\Delta R}{R} = K_E \cdot \frac{\Delta I}{I}$$

con $K_E$ sensibilità.

Il materiale subisce una diminuzione della sua sezione pari a:

$$\frac{\Delta S}{S} = -2 \mu \cdot \frac{\Delta I}{I}$$

con $\mu \approx 0.3$ modulo di Poisson.

L’estensimetro è costituito da un materiale che può essere una lega metallica (estensimetri metallici) oppure un semiconduttore (estensimetri a semiconduttore) che sottoposto a deformazione modifica la sua resistività a causa della variazione della sua geometria.

Cella di carico: sensore di peso ad estensimetro

La cella di carico estensimetrica comprende invece, per esempio, quattro estensimetri posti lungo l’anello della cella. Gli estensimetri sono elettricamente connessi a ponte.

Sensori di pressione

Sensori di pressione estensimetrici

Un trasduttore di pressione converte la pressione in un segnale elettrico analogico. La conversione di pressione in un segnale elettrico viene ottenuta dalla deformazione fisica degli estensimetri connessi alla membrana del trasduttore di pressione e cablati in una configurazione a ponte di Wheatstone. La pressione applicata al trasduttore di pressione produce una flessione del diaframma che a sua volta porta alla deformazione degli estensimetri. La deformazione produrrà un cambiamento della resistenza elettrica proporzionale alla pressione.

Sensori di pressione piezoresistivi

Utilizzano un diaframma di misura a semiconduttore (silicio) con strutture diffuse in modo selettivo. Utilizzano l’effetto piezoresistivo, basato sulla variazione della resistenza elettrica dei materiali di cui è composto il semiconduttore causata dal loro stiramento e compressione che influenza il movimento degli elettroni sotto stress meccanico.

Outro

Altri sensori:

• Finecorsa: interruttore meccanico,
• Sensore e banda magnetica: striscia magnetizzata a poli alterni,
• Multisensore ambientale: misura temperatura, pressione, umidità,
• Multisensore inerziale (IMU): misura accelerazione, velocità angolare e campo magnetico,
• Telecamera industriale: controllo qualità,
• Lettore di barcode: gestione automatizzata magazzino,
• Laserscanner: guida autonomi di veicoli.

Volendo classificare i sensori in base alla grandezza che riescono a rilevare e non al fenomeno fisico utilizzato, si può scrivere.

Grandezza fisica	Sensori
temperatura	termocoppie, termoresistenze, termopile
posizione lineare	sensori all’infrarosso, sensori all’ultrasuono, banda magnetica, LVDT, magnetostrittivi, …
posizione rotativa	encoder, resolver, RVDT, telecamere, …
velocità indiretta	ruote foniche, effetto Doppler
velocità rotativa diretta	dinamo tachimetrica
prossimità	induttivi, capacitivi, magnetici, ultrasonici
presenza	fotocellule, reed, finecorsa elettromeccanici, telecamere, …
deformazione	estensimetri metallici o a semiconduttore, sensori inerziali, sensori magnetostrittivi
peso	ad estensimetro, ad LVDT, ad elementi piezoelettrici
livello liquido	capacitivi, reed
pressione	ad estensimetro, …