Sensori Industriali: Tipologie, Funzionamento e Applicazioni

Sensori: Definizione e Tipologie

Un sensore è un dispositivo di misurazione primario che rileva le variazioni del valore della variabile misurata o controllata, o anche nel segnale variabile di processo, assumendo una forma meccanica, elettrica o simile.

Tipologie di Sensori

Sensori di Temperatura

I principali tipi di sensori di temperatura sono:

• Tipo a bulbo
• Resistenze RTD
• Termocoppie
• Termistori

Resistenze RTD (Resistance Temperature Detector)

Principio di funzionamento: Si basa sulla proprietà dei metalli di variare la loro conducibilità elettrica in base alla variazione di temperatura.

Materiali e Specifiche:

• Platino: Range da -200 a 900 °C, precisione di un centesimo di %, ovvero 0,01 °C.
• Nickel: Range da -150 a 120 °C, precisione di 5/10, ovvero 0,5 °C.
• Rame: Range da -200 a 120 °C, precisione di un decimo, ovvero 0,1 °C.

Vantaggi: Elevata accuratezza, risposta rapida, buona stabilità.

Svantaggi: Costo più elevato rispetto a termocoppie e termistori, fragilità, l'autoriscaldamento può essere un problema.

Termocoppie

Principio di funzionamento: Si basa sull'effetto Seebeck, ovvero il flusso di corrente in un circuito chiuso formato da due metalli differenti, le cui giunzioni sono mantenute a temperature distinte.

Applicazioni: Forni industriali a gas ed elettrici, caldaie, scaffali mobili.

Range: Da -200 a 1700 °C a seconda della lega.

Vantaggi: Dimensioni ridotte, economiche, veloci, facili da montare.

Svantaggi: Necessità di compensazione della giunzione fredda. Sono i sensori più semplici e utilizzati per misurare la temperatura quando è necessaria un'indicazione a distanza e quando molti punti devono essere misurati. Nessun altro metodo può competere sul rapporto costo-beneficio. Tipi di materiale: J, K, T, R, O, S.

Sensori di Pressione

I principali tipi di sensori di pressione sono:

• Tubo di Bourdon
• Celle di deformazione o di carico
• Trasduttori capacitivi
• Trasduttori piezoelettrici

Tubo di Bourdon

Principio di funzionamento: Si basa sulla legge fisica della deformazione dei corpi flessibili mediante l'azione della pressione.

Applicazione: Vapore (vapore o liquido miscelato con il circuito integrato).

Range e Precisione:

• Tipo C: Da 0,5 a 6.000 bar, precisione da ±0,5 a ±1%.
• Tipo a spirale: Da 0,5 a 2.500 bar, precisione da ±0,5 a ±1%.
• Tipo elicoidale: Da 0,5 a 5.000 bar, con la stessa precisione.

Vantaggi: Ampia disponibilità di tubi di Bourdon. I tipi a spirale ed elicoidale hanno una maggiore autonomia di movimento, ideali per i registratori. Dimensioni ridotte, lunga durata.

Svantaggi: Il costo di costruzione aumenta a seconda del materiale di costruzione per ogni area di processo.

Trasduttori Piezoelettrici

Principio di funzionamento: Si basa sulla generazione di campi elettromagnetici quando alcuni cristalli vengono deformati a causa della pressione applicata alle loro estremità, generando un segnale elettrico.

Range: Da 0,1 a 600 kg/cm², con una precisione di ±1%.

Vantaggi: Elevata risposta in frequenza, autogenerazione, dimensioni ridotte, robusti, lineari, bassa sensibilità alle vibrazioni.

Svantaggi: Sensibili alle variazioni di temperatura, alta impedenza di uscita, bassa uscita, scarsa stabilità, variazione dello zero dopo uno shock.

Sensori di Flusso

I principali tipi di sensori di flusso sono:

• Flangia a orifizio
• Rotametro
• Turbina
• Ultrasuoni
• Magnetici

Flangia a Orifizio

Principio di funzionamento: Il flusso che passa attraverso un tubo con una restrizione crea un differenziale di pressione tra l'ingresso e l'uscita della piastra.

Applicazione: Gas, liquidi, vapore, solidi e loro combinazioni.

Range: Misurazione del flusso con una precisione dell'1%.

Vantaggi: Diversi tipi di orifizio, utilizzati per vapori, gas e liquidi. Sono semplici, hanno un costo relativamente basso e si adattano a qualsiasi dimensione del tubo.

Svantaggi: Elevata perdita di pressione, non adatti per fluidi ad alta viscosità o sporchi, rapporto non lineare ma quadratico, non adatti per piccoli flussi.

Tipi di Orifizio: Concentrico, segmentale, eccentrico.

Sensori di Peso

I principali tipi di sensori di peso sono:

• Celle di carico idrauliche
• Sistemi con estensimetri
• Sistemi con celle di carico pneumatiche

Estensimetri

Principio di funzionamento: Si basa sull'uso di estensimetri installati su ciascuna delle estremità della piattaforma di pesatura. Questi elementi, deformandosi a causa della pressione del materiale, cambiano la loro resistività elettrica, permettendo una lettura diretta utilizzando un ponte di Wheatstone.

Applicazione: Nastri trasportatori (pesometri).

Range: Da 20 kg a 150 tonnellate, con una precisione di ±0,2%.

Vantaggi: Protezione contro la corrosione, non sono collegati al materiale pesato.

Svantaggi: Necessità di compensazione della temperatura, costo relativamente elevato.

Celle di Carico Idrauliche

Principio di funzionamento: Si basa su un pistone che esercita pressione su un fluido idraulico.

Range: Da 40 kg a 90 tonnellate, con una precisione di ±0,2%.

Vantaggi: Installazione semplice, risposta rapida, resistenti alle vibrazioni, sopportano fino al 40% di sovraccarico, a prova di esplosione, indicatori di distanza.

Svantaggi: Costo relativamente elevato.

Celle di Carico Pneumatiche

Principio di funzionamento: Si basa sul confronto tra il peso del carico sulla piattaforma e lo sforzo esercitato da una membrana alimentata da una pressione di set regolabile.

Applicazione: Generalmente per la pesatura statica.

Range: Da 10 kg a 10 tonnellate, con una precisione di ±0,2%.

Vantaggi: Si adattano bene al comando pneumatico, indicazione remota.

Svantaggi: Richiedono strumentazione ad aria compressa.

Sensori di pH

Principio di funzionamento: Un tubo di vetro è chiuso al suo interno con una membrana di vetro particolarmente sensibile agli ioni idrogeno (pH).

Applicazione: Soluzioni acide e neutre.

Range: Valori da 0 a 14, con una precisione da ±0,25 a ±1%.

Vantaggi: Installazione semplice, risposta rapida.

Svantaggi: Richiedono manutenzione continua, le variazioni di temperatura influenzano la determinazione del pH.

Formule di Conversione della Temperatura

• Gradi Fahrenheit (°F) = (9/5 * Gradi Celsius (°C)) + 32
• Gradi Celsius (°C) = 5/9 * (Gradi Fahrenheit (°F) - 32)
• Kelvin (K) = Gradi Celsius (°C) + 273,15