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title: 18 - PARTE 2 - Sensori di spostamento, livello e prossimità
tags: Misure
info: da specificare !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
description: Blocco slide parte 18
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> I sensori cinematici permettono di misurare lo spostamento di un oggetto.

## Sensori di livello

Molti processi industriali richiedono la conoscenza della quantità del contenuto di cisterne e container che, nella maggior parte delle circostanze, non sono direttamente ispezionabili.
I parametri di interesse sono di solito il livello del contenuto, il volume o semplicemente la presenza o meno di sostanze: sensori possono essere utilizzati per individuare stati di livello alto o basso al fine di generare allarmi, generare azioni di controllo automatiche o fornire letture per la raccolta manuale.
Le sostanze misurabili con i sensori di livello sono tipicamente liquide, tuttavia esistono anche applicazioni per materiali solidi:
- **liquidi**: acqua, petrolio, latte, ecc…
- **solidi**: farine, polveri minerarie, vegetali in chicchi, carbone, ecc…

I metodi per la misura o il controllo di livello all’interno di cisterne o container possono essere divisi in due tipologie:
- **full-range**: misurano con continuità il livello del contenuto rispetto allo zero di riferimento;
- **short-range**: misurano un piccolo cambiamento rispetto ad un riferimento stabilito oppure individuano semplicemente il raggiungimento o meno di un dato livello.

### Installazione e sorgenti di errore

Misurare il livello raggiunto dal contenuto in una certa cisterna è un problema molto diffuso e che, in ambito industriale, richiede un errore non superiore a 0.5 mm (non posso rischiare di superare la capacità di una cesterna di petrolio ad esempio).
Esistono una serie di criticità che possono complicare questa misurazione:
- alcuni contenuti liquidi possono generare una schiuma in superficie che può confondere alcuni sensori
- i contenuti solidi granulari tendono a non disporsi in maniera uniforme nella cisterna rendendo difficile determinarne il livello
- presenza di sostanze critiche (infiammabili, tossiche, corrosive, ecc)

Inoltre esistono una serie di fattori che possono introdurre errore:

- presenza di turbolenza in prossimità del sensore dovuta al flusso di materiale oppure alle vibrazioni che agiscono sul contenitore
- fluttuazioni di pressione e temperatura all’interno del container

Per rispettare le specifiche sull'errore, è prassi comune utilizzare almeno due sensori che sfruttano principi fisici differenti.

### Sensori ad effetto Hall

È un sensore full-range che mi va a legare una differenza di potenziale trasversa, che si genera ai capi di un conduttore sottoposto ad un campo di induzione magnetica in funzione del campo in cui vienne immerso. Se il campo è generato da un magnete, più il magnete si avvicina, più aumenta il potenziale. Se il potenziale supera una certa soglia, si attiva un segnale. Nella pratica il magnete viene messo dentro un galleggiante vincolato a muoversi lungo un'asta.


### Sensore rotazionali o a pala

È un sensore short-range. Il sensore è dotato di una pala che viene fatta ruotare lentamente (circa 1rpm), nel momento in cui la pala inizia ad essere immersa con il contenuto della cisterna troverà una resistenza maggiore che la farà rallentare. La potenza della pala è calibrata per fermarsi completamente quando è totalmente sommersa. Questa tipologia di sensore è più comunemente utilizzata per contenuti solidi. Costano poco, ma essendo dotati di un motore, richiedono manutenzione, nel tempo il pulviscolo può comprometterli.


### Sensori vibrazionali

Questo è il primo sensore di livello natura propriamente elettrica che abbiamo finora visto. Sono sensori short-range. Il funzionamento è il seguente: il sensore è dotato di un'estremità che viene fatta vibrare (utilizzando un materiale piezoelettrico) alla frequenza di risonanza. Nel momento in cui questa viene immersa in una nuova sostanza la frequenza di risonanza cambia (nel caso dei liquidi), oppure la vibrazione diminuisce in ampiezza (nel caso dei solidi).



Sono sensori di tipo attivo e, pertanto, richiedono alimentazione elettrica. Inoltre sono molto resistenti alla corrosione, hanno una struttura totalmente incapsulata che li rende robusti.

Nella pratica l'estemità vibrante ha due palette come in figura. Un guasto di questa tipologia di sensore può avvenire se si incastra il contenuto della cisterna (nel caso in cui sia solido) tra le due palette.

*forma estremità vibrazionale*

#### Materiali piezoelettrici

Sono dei materiali molto utilizzati in diversi settori tra cui quello della sensoristica.

> Un materiale piezoelettrico ha la capacità di generare una distribuzione superficiale di carica non uniforme in risposta ad una deformazione meccanica (praticamente si genera una differenza di potenziale alle sue estremità). Questa proprietà è bidirezionale, quindi se alimento lo stesso materiale con una certa differenza di potenziale, questo tenderà a deformarsi.

La distribuzione di cariche non uniforme che si genera non è continua, non basta cioè che mantengo il materiale compresso per avere una differenza di potenziale. Se voglio mantenere la differenza di potenziale devo deformare continuamente il materiale (comprimo e decomprimo ripetutamente).

Ad esempio nei microfoni uso la prima proprietà per trasformare un'onda sonora in un segnale elettrico, mentre nelle casse sfrutto la seconda, quindi partendo da un segnale elettrico posso produrre delle onde sonore.

### Sensori di tipo capacitivo



Mantenendo costante la $A$ e la $d$ si può sfruttare la $k$ per determinare la presenza di una sostanza tra le armature. Questo sensore può essere short-range o full-range. Nel secondo caso le armature hanno una forma allungata, per cui si può misurare una variazione di $k$ parziale dovuta all'immersione di solo una parte del sensore.

In contesti reali bisogna fare una distinzione fra sostanze conduttive e non conduttive. Come si vede dal grafico, dato un sensore posizionato in una cisterna riempita fino ad un certo livello, se la sostanza contenuta è conduttiva allora il livello letto dal sensore è completamente indipendente dalla costante dielettrica della sostanza, ma se il materiale è non conduttivo, allora bisogna conoscere la sua costanza dielettrica per poter calibrare il sensore e leggere quindi il livello corretto. Per quelle sostanze che ricadono nella fascia rossa è consigliabile cambiare tipologia di sensore.


Hanno i seguenti pregi:
- non hanno parti in movimento (quindi sono robusti)
- sono compatibili con una vasta tipologia di contenitori (forma e dimensioni);
- hanno un costo ridotto se confrontato con quelli di altre soluzioni elettroniche di misura del livello

Ha il seguente difetto:
- necessitano di un contatto uniforme tra il materiale da misurare e le armature dell’elettrodo (se il materiale da misurare lascia dei residui sulle armature, le misure successive verranno condizionate)

### Sensori ultrasonori

Sono sensori non a contatto. I sensori ultrasonori per la misura di livello si basano sul calcolo del tempo di volo impiegato da un’onda ultrasonora per percorrere la distanza da e per il sensore: essi sono al tempo stesso generatori di segnale e trasduttori (al loro interno contengono un cristallo piezoelettrico). Il principo che sta alla base del funzionamento di questi sensori gli conferisce il nome di Time of Flight sensors (ToF). Lo stesso principio può essere sfruttato adottando delle onde elettromagnetiche. In questo caso non avremmo un materiale piezoelettrico, ma un'antenna.


Il sensore ad ultrasuoni è condizionato dal mezzo su cui viaggiano le onde (temperatura, umidità, ecc), questo può aumentare il margine di incertezza. Dall'altra parte la velocità dell'onda elettromagnetica richiede una lettura del tempo molto più precisa per poter apprezzare il tempo impiegato dall'onda per attraversare il contenitore, che a sua volta richiede un'elettronica più ingombrante e costosa. In generale, se non abbiamo limiti di spesa è consigliabile il sistema ad onde elettromagnetiche.
I sensori ultrasonori per la misura di livello possono essere sia montati al di sopra del materiale da misurare, sia al di sotto di esso.
Nel caso di posizionamento al di sotto del materiale è necessario che esso sia liquido e le onde sonore sono riflesse dalla superficie di separazione tra liquido e aria; questa soluzione presenta i seguenti vantaggi e svantaggi rispetto al tradizionale posizionamento in alto:
- non risente della presenza di schiuma o particelle sulla superficie del liquido che possono influenzare la riflessione delle onde sonore;
- è più robusto alle variazioni di temperatura;
- richiede il contatto con il liquido da misurare.

### Sensori di prossimità

I sensori di prossimità sono in grado di percepire ed indicare la presenza di un oggetto (es. persona) all'interno di un determinato campo, in prossimità del sensore stesso.
I sensori di rilevamento del moto sono particolari sensori di prossimità che reagiscono solo ed esclusivamente al movimento degli oggetti (es. persone) posti all’interno del campo del sensore.
I sensori di prossimità e rilevamento del moto di maggiore interesse a livello industriale sono: fotoelettrici, magnetici a contatti reed, capacitivi, a microonde e ultrasuoni.
Questo tipo di sensori viene spesso utilizzato per garantire una collaborazione sicura uomo macchina nelle catene di produzione dove è fondamentale:
- eliminare la presenza di falsi negativi, e.g. evitare che la presenza di un operatore vicino ad un robot non venga riconosciuta, con conseguenti ripercussioni sulla sicurezza dell’operatore stesso;
- ridurre il più possibile quella di falsi positivi, e.g. limitare il numero di volte in cui un robot interrompe la propria produzione a seguito del riconoscimento errato della presenza di un operatore umano.
Per questo motivo una buona norma è quella di usare all’interno della rete sensoriale distribuita sensori che si basano su principi di funzionamento differenti.

#### Sensori fotoelettrici (ottici)


Viene inviato un segnale luminoso tramite un led nell'emettitore ad un ricevitore. Se tra l'emettitore e il ricevitore si posiziona un ostacolo (ad esempio una persona), il ricevitore non riceve più il segnale e manda un avviso. Questo principio di funzionamento può essere implementato con 3 tecnologie differenti:


- La prima tipologia è la più semplice ed ha anche il campo d'azione più limitato. L'emettitore funge anche da ricevitore, di default il ricevitore non si aspetta nessun segnale di ritorno, ma se si avvicina un oggetto al sensore, questo rifletterà una parte del segnale indietro che verrà quindi riconosciuto.
- La seconda tipologia aggiunge un elemento altamente riflettente, in questo modo il segnale inviato dall'emettitore, in assenza di oggetti nel mezzo, viene riflesso e torna al ricevitore praticamente intatto. Se ad un certo punto si pone un elemento nella traiettoria del segnale il ricevitore non riconoscerà più il segnale. Con questa tecnologia si può aumentare il campo d'azione.
- La terza tipologia ha il campo d'azione maggiore, poichè è anche l'unica a dividere l'emettitore da ricevitore (sono anche i più costosi). In particolare l'emettitore e il ricevitore sono messi uno opposto all'altro, se il ricevitore ad un certo punto non riceve più il segnale proveniente dall'emettitore manda un avviso. Il maggiore campo d'azione è garantito dal fatto che il segnale non deve percorrere la massima distanza per 2 volte (secondo metodo) e non richiede neanche la riflessione con un oggetto estraneo.

##### Applicazioni


#### Sensori magnetici a contatti reed


Sono dei sensori che all'interno contengono due estremi di circuito magnetizzati e separati tra loro (circuito aperto). Nel momento in cui si avvicina un campo magnetico sufficientemente forte, le due estremità entreranno in contatto fra loro determinando la chiusura del circuito.

Hanno i seguenti pregi:
- il case protegge i contatti dalla polvere, dall'ossidazione e dalla corrosione;
- l'azionamento dei contatti avviene senza complicati ed ingombranti meccanismi sfruttando l'influenza di un campo magnetico;
- sono economici (questo insieme all'ingombro li rende particolarmente adatti per essere utilizzati nell'ambito della domotica domestica)
- alta velocità di funzionamento, fino a 300 Hz per alcuni tipi;


#### Sensori induttivi e capacitivi

Le sonde induttive e capacitive possono essere utilizzate anche per fare misure di prossimità: basta settare l'elettronica in modo che restituisca un segnale alto o basso a seconda che la distanza tra il sensore e il misurando superi una certa soglia. Tra le due tipologie è più diffusa quella induttiva.

#### Sensore a microonde

Il principio di funzionamento di un rilevatore di prossimità basato su microonde si basa sulla propagazione di onde elettromagnetiche in Radio Frequenza (RF) verso l’area da monitorare.
Il nome “microonda” è assegnato arbitrariamente a tutte le lunghezze d’onda inferiori ai 4 cm: esse sono lunghe abbastanza da passare liberamente attraverso gran parte dei potenziali contaminanti (e.g. nuvole, pulviscolo) e corte abbastanza da essere riflesse da oggetti di maggiori dimensioni.
La radiazione elettromagnetica riflessa dagli oggetti la cui dimensione è confrontabile o superiore alla lunghezza d’onda del segnale di eccitazione è ricevuta dal sensore, che trasforma la radiazione in un segnale elettrico amplificato e lo analizza.
Il tempo di ritardo tra il segnale inviato e quello ricevuto è proporzionale alla distanza dall’oggetto, mentre la variazione in frequenza è proporzionale alla velocità di spostamento dell’oggetto (principio ToF).
Esiste un secondo principio di funzionamento su cui si può basare il funzionamento di un sensore a microonde: l'effetto Doppler. In questo caso si va a monitorare la presenza e la velocità di oggetti in movimento (in questo caso non si parla di sensore di prossimità, bensì di movimento).

> **Effetto Doppler**:
L’antenna invia un segnale a frequenza $f_{0}$ in relazione con la lunghezza d’onda $λ_{0}$ e con la velocità della luce nel vuoto $C_{0}$ secondo l’espressione:
$f_{0} = \frac{C_{0}}{λ_{0}}$
Quando il bersaglio si muove da o verso l’antenna, allora la frequenza della radiazione riflessa cambia: essa aumenta nel momento in cui il bersaglio si avvicina e diminuisce nel momento in cui il bersaglio si allontana (effetto Doppler).
Detta $v$ la velocità del bersaglio e $f_{r}$ la frequenza della radiazione ricevuta dal sensore, allora la relazione che lega la frequenza della radiazione emessa a quella della radiazione ricevuta è:
$f_{r} = f_{0} \frac{1}{1 + v/c_{0}}$
La differenza di frequenza $Δf$ può essere allora scritta come:
$Δf = f_{0} - f_{r} = f_{0}(1-\frac{1}{1 + v/c_{0}})= f_{0}(\frac{v/c_{0}}{1 + v/c_{0}})=f_{0}(\frac{1}{1 + c_{0}/v})$
Essendo $c_{0}/v>>1$:
$Δf \approx \frac{v}{λ_{0}}$

## Domande

- Descrivere il principio di funzionamento di un sensore potenziometrico per la misura di spostamento.
- Descrivere il principio di funzionamento di un sensore induttivo (LDVT o RDVT) per la misura di spostamento.
- Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dei sensori induttivi (LDTV o RDTV) per la misura di spostamento rispetto a quelli potenziometrici?
- Descrivere il principio di funzionamento di un sensore capacitivo a sonda.
- Quali sono gli errori che si possono commettere nell’utilizzo di un sensore capacitivo a sonda?
- Descrivere il principio di funzionamento e lo schema di funzionamento dei sensori basati su correnti di Eddy.
- Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dei sensori capacitivi a sonda per la misura di posizione o spostamento rispetto a quelli basati su correnti di Eddy?
- Descrivere il principio di funzionamento dei sensori ad effetto Hall.
- Elencare le diverse tipologie di sensori per la misura di livello, specificando i pregi e i difetti di ognuna di esse.