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Gianmaria De Tommasi » 9.Sensori di fluido


Indice della lezione

  • Sensori di pressione
  • Sensori di portata
  • Sensori di livello

Sensori per fluido

  • I sensori per fluido si possono classificare a seconda del tipo di fluido del quale si vogliono misurare le proprietà:
  • sensori idraulici – utilizzati per fluidi liquidi
  • sensori pneumatici – utlizzati per gas

Per entrambi i tipi di fluido esistono sensori di pressione e portata
I sensori idraulici comprendono anche i sensori di livello

Sensori di pressione

I sensori di pressione possono essere classificati in base al principio di misura utilizzato:

  • sensori basati sulla misura dell’altezza di una colonna di liquido (manometri)
  • sensori basati sulla misura della deformazione di un elemento elastico

Manometri

I manometri trasducono una differenza di pressione in uno spostamento di un liquido.

Legge di Pascal

\Delta p = \rho g \Delta h

Schema semplificato di un manometro. Il liquido è supposto avere proprietà ferromagnetiche.

Schema semplificato di un manometro. Il liquido è supposto avere proprietà ferromagnetiche.


Tubi di Bourdon

  • I tubi di Bourdon trasducono una differenza di pressione in uno spostamento meccanico dovuto alla deformazione di un elemento elastico
  • A causa della forma del tubo, il fluido che entra genera forze diverse su sezioni differenti, deformando il tubo stesso
  • L’elasticità del materiale permette al tubo di ritornare alla sua forma originale quando la differenza di pressione si annulla.
Tubo di Bourdon aspirale.

Tubo di Bourdon aspirale.


Applicazioni del tubo di Bourdon

Una possibile applicazione del tubo di Bourdon, in passato, era quella di utilizzarli per realizzare indicatori di strumenti di misura


Sensori di pressione integrati

Esistono  tre  tipi di  sensori di pressione integrati, tutti basati su una membrana deformabile per effetto della pressione:

  • piezoresistivi – sfruttano  la  variazione  di  resistività  di  un  materiale conduttore causata dalla deformazione della membrana
  • capacitivi – sfruttano  la  variazione  di  capacità  dovuta  al  movimento della membrana (analogamente ai sensori di spostamento capacitivi)
  • risonanti – la   pressione   esercitata   sulla   membrana   provoca   una variazione della frequenza di risonanza di un elemento vibrante posto su di essa

Sensori di pressione integrati piezoresistivi

Pro

  • Uscita lineare
  • Semplicità di fabbricazione
  • Impedenza d’uscita bassa
  • Basso costo

Contro

  • Sensibili alla temperatura e al drift
  • Poco adatti per misure precise o di bassa pressione

Sensori di pressione integrati piezoresistivi

Pro

  • Uscita lineare
  • Semplicità di fabbricazione
  • Impedenza d’uscita bassa
  • Basso costo

Contro

  • Sensibili alla temperatura e al drift
  • Poco adatti per misure precise o di bassa pressione

Sensori di pressione integrati piezoresistivi

Pro

  • Uscita lineare
  • Semplicità di fabbricazione
  • Impedenza d’uscita bassa
  • Basso costo

Contro

  • Sensibili alla temperatura e al drift
  • Poco adatti per misure precise o di bassa pressione

Sensori di pressione integrati capacitivi

Pro

  • Sensibilità maggiore
  • Minor consumo di potenza
  • Effetto temperatura ridotto

Contro

  • Problema capacità parassite
  • Uscita non lineare

Sensori di pressione integrati risonanti

Pro

  • Maggior accuratezza
  • Uscita variazione frequenza

Contro

  • Processo di fabbricazione molto complesso

Esempi di sensori di pressione integrati


Sensori di portata

I sensori di portata sono utilizzati per misurare quantità differenti:

  • la portata volumetrica \dot{V}(t) (volume di fluido per unità di tempo)
  • la velocità del fluido v=\frac{\dot{V}(t)}{A}
  • La portata massica \dot{M}(t)=\rho \dot{V}(t)

Sensori a strozzamento

  • Il principio di funzionamento è basato sul fatto che una restrizione in un condotto fa aumentare la velocità del fluido e diminuire la pressione a valle
  • Richiedono l’utilizzo di un sensore di pressione differenziale (manometro)
  • Sono invasivi
  • Si possono ostruire
  • Richiedono ritarature

Vortex

  • Il principio di funzionamento è basato sulla generazione di vortici in maniera proporzionale alla velocità del fluido
  • La misura consiste nel rilevare la frequenza dei vortici con tecniche di vario tipo
  • Sono più costosi dei sensori a strozzamento ma hanno prestazioni superiori
  • Sono molto utilizzati nel controllo di processo
Principio di funzionamento di un sensore vortex.

Principio di funzionamento di un sensore vortex.


Sensori a turbina

  • I sensori a turbina sono basati sulla rilevazione del movimento di una turbina immersa nel fluido
  • Le lame sono magnetiche e quindi si può misurare la velocità a cui ruota la turbina conteggiando gli impulsi di tensione in uscita ad una bobina
  • Possono dare luogo a perdite di carico
  • Non devono essere presenti detriti nel fluido
  • Hanno buona accuratezza
  • Sono costosi e di difficile manutenzione
  • Possono presentare zone morte alle basse velocità (alta soglia di sensibilità)
Esempi di sensori a turbina commerciali.

Esempi di sensori a turbina commerciali.


Sensori elettromagnetici

  • Nel caso di fluidi conduttivi è possibile utilizzare sensori di portata elettromagnetici
  • Il funzionamento è basato sulla generazione di una differenza di potenziale creata dal conduttore fluido in movimento attraverso un campo magnetico
  • La tensione in uscita è proporzionale alla velocità del fluido
  • È possibile risalire alla portata volumetrica conoscendo l’area della condotta
  • Sono costosi ma hanno buone prestazioni
  • Sono non invasivi

Tubo di Coriolis

  • Consentono di misurare direttamente la portata massica senza doverla derivare dalla conoscenza della densità
  • Il tubo di misura viene portato in risonanza vibrante
  • L’ampiezza dell’oscillazione è proporzionale al modulo delle forze di Coriolis e dipende dalla portata massica nel tubo di misura

Sensori di livello

Possono essere analogici, digitali o binari (interruttori di livello)

  • Sensori di livello a principio idorstatico
  • Sensori a principio resistivo
  • Sensori a principio capacitivo
  • Sensori ad emissione nucleare
  • Sensori a pesoSensori ad ultrasuoni
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