Sensori industriali: caratterizzazione, principi di funzionamento e applicazioni

La produzione intelligente sta spingendo l'industria manifatturiera a modernizzare la propria infrastruttura software e hardware al fine di creare fabbriche intelligenti sempre più produttive. Tale processo è spesso più noto come Industria 4.0 (Industry 4.0) o Industria delle Cose (IoT). Alla base di questa spinta alla modernizzazione vi è la necessità di disporre di un grande quantitativo di dati in tempo reale. Da qui l'esigenza di comprendere il principio di funzionamento, le applicazioni e le caratteristiche basiche dei sensori in ambiente industriale. I sensori, infatti, costituiscono il primo elemento che consente l'interazione con il mondo circostante, che non solo regola i principi produttivi ma è anche in grado di comprendere l'insorgenza di eventuali guasti o malfunzionamenti. Tali sensori sono alla base del processo di interazione uomo-macchina o macchina-macchina. L'attuale infrastruttura di produzione è costosa da mantenere, crea barriere alla distribuzione dei dati, si integra male con altri sistemi e impedisce alle aziende di trarre vantaggio dai benefici creati dalla digitalizzazione.

Introduzione

Grazie ai semiconduttori, anche i dispositivi più piccoli possono essere dotati di accelerometri, sensori di movimento e touchscreen capacitivi che rendono l'utilizzo di smartphone e tablet più facile che mai. Tuttavia, i sensori di prossimità e gli interruttori sono essenziali anche negli ambienti e nei processi industriali. Garantiscono non solo la sicurezza delle macchine, ma anche delle persone che le utilizzano. Il loro utilizzo nell'ambito dei sistemi embedded è stato oggetto anche di precedenti articoli.

Cosa sono i sensori?

Il termine "sensore" si riferisce in genere a qualsiasi componente tecnico che rileva in modo indipendente determinati parametri fisici o chimici o proprietà degli oggetti o dell'ambiente. Ad esempio, questo potrebbe includere temperatura, luminosità o accelerazione. In questo senso, assomigliano ai nostri organi sensoriali, con la differenza fondamentale che possono registrare cose che altrimenti rimarrebbero invisibili o pericolose per l'uomo. Una proprietà importante dei sensori è la capacità di convertire i dati di misurazione in segnali o display visivi. Questi possono quindi essere interpretati in modo significativo da un operatore o da un dispositivo elettronico. In altre parole, un sensore è sempre anche un trasduttore, un dispositivo che converte una forma di energia o stimolo in un'altra.

Funzioni e tipi di sensori

La funzione chiave comune a tutti i sensori è la conversione. Rilevano e misurano oggetti o quantità fisiche, che possono essere diverse come:

  • Un codice di identificazione elettronico su un'etichetta appositamente progettata nota come chip RFID (Radio Frequency Identification)
  • La quantità di calore in un oggetto, fluido o persona
  • Il movimento di un oggetto, persona o animale in un campo visivo monitorato elettronicamente
  • Il tipo di accelerazione che sta subendo un oggetto, come caduta libera o rotazione

Un sensore di movimento, ad esempio, può essere integrato in macchinari industriali e cablato a un interruttore di sicurezza. Ciò fornisce un arresto sicuro nel caso in cui il rilevatore segnali un movimento meccanico anomalo all'interruttore che, se consentito per continuare, potrebbe danneggiare l'apparecchiatura o rappresentare un pericolo per gli operatori vicini. Questo è solo un esempio di misurazione che genera un segnale elettrico poi utilizzato da un microcontrollore o PLC (Programmable Logic Controller), ma ovviamente molti sistemi basati su sensori convertono le misurazioni in bilanci oppure dati a display poi interpretati da un operatore esperto del processo produttivo. Il termometro a mercurio in vetro, ad esempio, è forse la forma più familiare di sensore di temperatura che converte l'espansione o la contrazione di un piccolo bulbo di mercurio in una scala leggibile (Celsius o Fahrenheit). Quando il mercurio si espande o si contrae, sale o scende all'interno di uno stretto filamento cavo all'interno del vetro, che ha una scala di temperatura graduata (ed opportunamente calibrata) incisa sulla sua superficie esterna.

In particolare, il termometro è uno dei pochi sensori che mostra un comportamento lineare all'interno del range di temperature per cui è stato progettato. In altre parole, i cambiamenti fisici nel materiale del rilevatore, in questo caso il mercurio, sono direttamente proporzionali ai cambiamenti nell'oggetto, nella forza, nel movimento o nella radiazione termica misurata. Un sensore di temperatura diverso, come la termocoppia, risponderà in modo simile alle variazioni di temperatura in modo lineare, in questo caso generando variazioni nella tensione di uscita che sono proporzionali alle variazioni di calore. Per garantire la precisione, i sensori sono accuratamente calibrati per conformarsi a scale consolidate e collaudate. Nell'odierno mondo orientato all'elettronica, i sensori svolgono un ruolo fondamentale nel garantire il corretto funzionamento di un vasto numero di macchine, gadget, veicoli e processi di produzione. Le tecnologie dei sensori sono alla base di un vasto numero di elementi quotidiani, come l'accelerometro, che garantisce che il display di un telefono cellulare sia sempre nella posizione corretta, indipendentemente da come il dispositivo viene spostato o ruotato. Sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature mediche, nell'ingegneria aerospaziale, nella sicurezza automobilistica, nella robotica e in innumerevoli processi di produzione.

Accuratezza

L'accuratezza (dall'inglese sensitivity) è la caratteristica che determina molte applicazioni di utilizzo dei sensori, discriminandone la scelta dell'uno rispetto all'altro. Quando un sensore risponde a un cambiamento relativamente grande in un mezzo con un cambiamento relativamente piccolo del suo materiale rilevatore, e conseguentemente dell'uscita (molto spesso una tensione o corrente su dispositivi elettronici), si dice che il sensore è caratterizzato da una bassa accuratezza. Tuttavia, a volte i sensori sono tenuti a misurare piccoli cambiamenti, nel qual caso devono mostrare un'elevata accuratezza, rispondendo a piccoli cambiamenti nel mezzo da misurare. Spesso, la linearità è confinata in un intervallo strettamente delimitato, oltre il quale risponderanno con molta meno precisione. I produttori di sensori devono anche considerare l'effetto che un sensore avrà su ciò che sta misurando o rilevando. Ad esempio, immergendo il bulbo di un termometro a mercurio in acqua calda raffredderà il liquido, perché il termometro assorbirà energia termica dal mezzo in cui è immerso. Un certo grado di impatto del sensore è inevitabile nella maggior parte delle situazioni, ma occorre prestare attenzione per garantire che l'effetto sia ridotto al minimo ove possibile. Una soluzione è puntare alla massima miniaturizzazione possibile nella progettazione dei sensori. Più piccolo è fisicamente un sensore, minore sarà l'impatto fisico che avrà sul suo supporto. La tecnologia dei sistemi microelettromeccanici (MEMS) sta trasformando la produzione di sensori, consentendo la costruzione di microrilevatori di dimensioni microscopiche. Questi sensori sono in genere più veloci nei tempi di risposta e notevolmente più sensibili rispetto alle loro controparti più grandi.

Illustrazione tecnica di come funzionano i sensori

I sensori sono disponibili in tutte le forme e dimensioni e possono essere utilizzati per misurare un'ampia gamma di mezzi e caratteristiche. I diversi tipi includono igrometri e misuratori di umidità (per misurare l'umidità), giroscopi (per misurare la rotazione), sensori di corrente o tensione, sensori di pressione, sensori di posizione, sensori di livello e sensori di flusso (per la gestione dei fluidi). Alcuni dei tipi di sensori più comuni sono spiegati più dettagliatamente nella Tabella 1.

Tipo di sensore Versione Cosa misura Descrizione
Chip RFID Passivo (ricezione di un segnale di interrogazione da un lettore RFID); a batteria attivo (trasmissione del segnale ID a intervalli prestabiliti) Il chip RFID reagisce a un segnale di interrogazione in arrivo da un lettore RFID I chip RFID possono memorizzare dati semplici e codificati elettronicamente come un singolo numero di serie o descrizioni di prodotti più complesse, che possono essere rilevati e visualizzati con un lettore RFID
Sensore di temperatura Termometri, termocoppie e rilevatori di temperatura a resistenza (RTD), ciascuno dei quali può essere sensore a contatto o senza contatto Cambiamenti nell'energia termica in un oggetto o mezzo, sia per l'espansione e la contrazione di materiale fisico o per cambiamenti nella conduttività elettrica di un conduttore Diversi sensori di temperatura sono progettati per essere applicati in ambienti con calore variabile. Alcuni, come le termocoppie e gli RTD, rimangono sensibili e di alta precisione a temperature molto elevate, mentre altri, come molti termometri, sono sensibili a temperature più basse
Accelerometro Piezoelettrico, piezoresistivo, magnetoresistivo, effetto Hall, termovettore, capacitivo Moto accelerato causato da vibrazioni, rotazione, inclinazione, gravità, caduta libera o collisione. Cambiamenti nella deflessione di un carico di prova caricato a molla all'interno del sensore in risposta alle forze di accelerazione La deflessione del carico di prova viene convertita dal sensore in una misura della forza di accelerazione che l'ha provocata. Il sensore considera anche il piano in cui si verifica l'accelerazione
Sensore infrarosso Passivo (ricezione di emissioni termiche infrarosse da un oggetto); attivo (che emette IR tramite un LED o un laser IR) Radiazione infrarossa nell'intervallo di lunghezze d'onda 0,7 - 14µ I sensori IR rilevano le radiazioni al di sotto della lunghezza d'onda della luce rossa visibile, che è essenzialmente una radiazione di calore. Possono essere utilizzati per convertire la radiazione IR in immagini come nelle telecamere IR o come parte di sistemi di sicurezza per rilevare la presenza di intrusi in movimento
Sensore di moto Rilevamento locale (raggio di luce IR visibile da LED o laser, piezoelettrico, piezoresistivo, interruttore a contatto); rilevamento dell'area (sensore video, attivo o PIR, rilevatore di movimento a ultrasuoni, sensore Doppler a microonde) Movimento di oggetti, esseri umani o animali I sensori di movimento convertono il movimento in un'area o campo visivo designato in un segnale elettrico, che può quindi fungere da input per varie applicazioni e sistemi di sensori come sicurezza, automazione della luce, porte automatiche e interruttori di arresto di sicurezza nei macchinari

Tabella 1

Sensori industriali nella produzione

In ingegneria, le soluzioni di sensori vengono utilizzate nei modi più ingegnosi per migliorare l'efficienza e ridurre i costi di manodopera. Ad esempio, i sensori RFID non solo hanno aiutato a creare sistemi di pagamento senza carta (contactless) quando integrati negli smartphone, ma hanno anche semplificato notevolmente le procedure di sicurezza. Ciò si ottiene consentendo l'automazione dei sistemi di apertura di cancelli e porte in aree sicure quando viene presentato il chip RFID richiesto. Hanno anche contribuito a rivoluzionare la logistica e i trasporti, nonché i processi di cross-docking.

Le soluzioni di rilevamento industriale sono utilizzate in innumerevoli applicazioni, ad esempio:

  • I sensori dell'accelerometro non vengono utilizzati solo per ruotare automaticamente i display del dispositivo. Sono anche ampiamente utilizzati nei sistemi di navigazione delle moderne apparecchiature aerospaziali.
  • I sensori a infrarossi sono spesso integrati in macchinari pesanti e apparecchiature elettriche, dove attivano l'arresto sicuro in caso di temperature anomale e potenzialmente pericolose.
  • I sensori a infrarossi (e le termocamere) vengono utilizzati anche per la manutenzione preventiva.
  • I sensori di movimento, quando collegati agli interruttori di spegnimento, svolgono una funzione simile rilevando movimenti potenzialmente pericolosi nelle parti meccaniche. Ciò può suggerire guasti come cuscinetti usurati, che potrebbero avere notevoli implicazioni sui costi se non vengono disattivati ​​rapidamente.
  • I sensori di movimento sono anche ampiamente utilizzati nei sistemi di sicurezza commerciali per il rilevamento degli intrusi.
  • I sensori di temperatura come le termocoppie vengono regolarmente utilizzati negli impianti di ingegneria chimica. Resistono a temperature molto elevate e sono ideali per monitorare piccoli sbalzi termici indicativi di reazioni chimiche. Il campo in via di sviluppo della nanotermometria ha consentito la misurazione dei differenziali di temperatura tra particelle di dimensioni nanometriche.
  • I sensori fotoelettrici vengono utilizzati per rilevare, ad esempio, oggetti solidi con barriere fotoelettriche unidirezionali nei montacarichi.
  • I sensori intelligenti all'avanguardia sono indispensabili nell'automazione industriale e nelle applicazioni IoT.

Comportamento energetico

Come tutti gli strumenti di misura, anche i trasduttori necessitano di energia per effettuare la trasformazione del misurando in una grandezza, di altra natura, da porgere al sistema utilizzatore mediante il segnale di uscita. Basandoci sulla individuazione del sistema che fornisce tale energia possiamo introdurre una prima suddivisione dei sensori in due categorie: sensori passivi e sensori attivi. Sono chiamati passivi quei sensori in cui l'energia associata al segnale di uscita proviene da una sorgente ausiliaria. Vengono invece chiamati attivi quei sensori in cui l'energia entrante con il segnale di ingresso ricompare direttamente, anche se in forma diversa, associata al segnale di uscita (in questo ultimo caso si è ovviamente trascurato di considerare le perdite). Il sensore passivo, richiedendo già un sistema ausiliario di alimentazione, è frequentemente dotato anche di un dispositivo di condizionamento ed amplificazione del segnale che provvede ad associare all'informazione un'energia ad un livello decisamente superiore a quella associata al segnale di ingresso. Al contrario, un sensore attivo si comporta come un trasformatore di energia restituendo all'uscita l'energia prelevata all'ingresso.

La vita

La vita dei trasduttori viene indicata in due maniere diverse: in alcuni casi essa è espressa in mesi oppure in anni - comunque in tempo - mentre in altri casi essa è espressa in "operazioni" oppure "corse". Da qui viene spontaneo chiedersi il perché e l'origine di questa differenza. Nel primo caso si tratta di trasduttori che patiscono un invecchiamento legato al trascorrere del tempo: potremmo pensare a fenomeni quali l'ossidazione di particolari elementi, la scarica di pile o batterie poste all'interno del trasduttore per alimentare i circuiti, il consumo di elementi chimici di reazione contenuti nell'involucro del trasduttore, e così via dicendo. Nel secondo caso, invece, abbiamo a che fare con elementi che non si consumano se non sottoposti a variazioni del misurando: pensiamo ad elementi quali dei contatti striscianti che collegano elettricamente un elemento mobile ad un altro fisso, alle bronzine di supporto dei perni del trasduttore e così via. È evidente che in questo secondo caso il tempo ha un'influenza marginale sull'usura e quindi sulla vita del trasduttore.

Sensore di prossimità

Questi sensori (vedi Figura 1) versatili e di alta qualità sono un'aggiunta essenziale a qualsiasi ambiente in cui la misurazione di attributi come pressione, spessore, ecc. è parte integrante delle operazioni aziendali, come impianti di produzione e ambienti industriali.

Figura 1: Sensore di prossimità

Figura 1: Esempio di un sensore di prossimità industriale

Caratteristiche e vantaggi

    • I sensori induttivi offrono un rilevamento preciso, affidabilità a lungo termine e alta precisione
    • I sensori sono completamente incapsulati, il che aumenta notevolmente la resistenza agli urti e alle vibrazioni e non sono montati a filo
    • Hanno anche un grado di protezione IP67 e sono costituiti da un alloggiamento con una superficie di rilevamento
    • Questi sensori induttivi non sono incorporabili e dispongono di un indicatore LED per una facile identificazione visiva
    • La temperatura di esercizio varia da -25 a +75°C
    • Ulteriori caratteristiche includono una protezione da cortocircuito, sovraccarico e inversione di polarità

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Una risposta

  1. davide.balducci 1 Agosto 2022

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