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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.

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.

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.

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.

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