Sensori: selezione e importanza per la tecnologia di automazione

La raccolta dei dati è un aspetto centrale delle strutture moderne, specialmente nel contesto della digitalizzazione e dell’Industria 4.0. I sensori lo rendono possibile. Forniscono dati di input e monitorano e adattano i processi. Ma quali tipi di sensori esistono? Come si seleziona il sensore giusto per un’applicazione specifica? Questo articolo presenta la modalità di azione e le possibili applicazioni per vari sensori, nonché i criteri di selezione per trovare il sensore giusto.

Cosa sono i sensori?

I sistemi di sensori si occupano dell’uso dei sensori per la misura e il controllo delle modifiche, ad esempio nei sistemi tecnici. I sensori acquisiscono varie misure, che possono essere di natura qualitativa e anche quantitativa. Le misure possono essere chimiche (per esempio il valore del pH), biologiche (per esempio la presenza di enzimi) o fisiche (per esempio temperatura, umidità, corrente). I sensori, chiamati anche rilevatori, trasduttori o sonde, convertono un segnale di ingresso in un segnale di uscita. Il segnale di ingresso di solito non è una metrica elettrica, mentre il segnale di uscita è un segnale elettrico come la corrente o la tensione.

Ulteriori informazioni sulla metrologia sono disponibili nel nostro articolo: Tecnologia di misurazione - Controllo qualità attraverso metodi di misurazione.

Come funzionano

I sensori lavorano in un sistema interagendo con gli attuatori. Generalmente i segnali provenienti dai sensori vengono inoltrati a un’unità di controllo, che analizza e valuta i dati di conseguenza e invia comandi agli attuatori come richiesto. Gli attuatori implementano quindi le istruzioni attraverso azioni fisiche. Ad esempio, un segnale viene inviato all’attuatore se la temperatura in un magazzino è troppo alta. L’attuatore può essere un riscaldatore in cui l’impostazione di riscaldamento ora viene ridotta in modo che la stanza possa raffreddarsi alla temperatura desiderata.

Tipi di sensore

Esistono sensori attivi e passivi. Il metodo di acquisizione delle misure determina se il sensore è attivo o passivo. I sensori attivi stessi generano (attivamente) un segnale per acquisire le misure. I dati determinati vengono emessi successivamente come segnale di uscita. In generale è necessario un alimentatore per generare il segnale per acquisire la misura. Tra gli esempi tipici di sensori attivi figurano: Misuratori di distanza laser, rilevatori di movimento IR o sensori a ultrasuoni.

I sensori passivi non generano un segnale attivo per l’acquisizione dei dati di misura di una misurazione. Contengono elementi passivi la cui proprietà (ad es. conducibilità) cambia in risposta a una misurazione (ad es. temperatura). Pertanto non è necessario un alimentatore per generare un segnale richiesto per la misurazione. Tuttavia, per registrare la modifica è necessaria un’alimentazione ausiliaria, poiché il segnale di ingresso e di uscita viene confrontato per determinare i risultati della misurazione. I sensori passivi sono installati con una frequenza relativamente frequente perché sono adatti per l’acquisizione di misurazioni statiche. Esempi di sensori passivi sono: sensori PIR (infrarosso passivo), termometri a resistenza o estensimetri.

I sensori sono suddivisi ulteriormente in commutazione e misurazione in base al tipo di segnale di uscita. I sensori di misurazione registrano continuamente valori fisici o di altro tipo e forniscono dati per il monitoraggio dettagliato dei processi. I sensori di commutazione, invece, rilevano quando un misuratore devia dal valore target e reagiscono attivamente commutando un’uscita, che ad esempio attiva un attuatore.

I sensori possono essere suddivisi ulteriormente per quanto riguarda il loro principio operativo o principio di misurazione, ad esempio in:

• Meccanico: reagisce a un movimento meccanico (ad es. deflessione), ad esempio: sensori di pressione.
• Resistivo: reagisce quando la resistenza elettrica cambia, ad esempio: estensimetri.
• Termoelettrico: reagisce in presenza di differenze di temperatura convertite in energia elettrica, ad esempio: sensori di temperatura.
• Piezoelettrico: reagisce convertendo la pressione in energia elettrica, ad esempio: piezoceramica nei sensori a ultrasuoni.
• Induttivo o elettromagnetico: reagisce a un cambiamento nel flusso magnetico, ad esempio: sensori di velocità.
• Capacitivo: reagisce alle variazioni di capacitanza, ad esempio: sensori di umidità.
• Ottico: reagisce/registra la luce o altri fenomeni ottici, ad esempio: barriere luminose, sensori fotoelettrici.
• Acustico: reagisce alle onde sonore, ad esempio: misuratore del livello di rumore.
• Chimico: reagisce alle variazioni chimiche, ad esempio: sensori di pH.

Ora esamineremo in dettaglio i principi operativi di alcuni sensori selezionati:

Sensori induttivi

I sensori induttivi contengono una bobina attraverso cui passa la corrente. Viene generato un campo elettromagnetico per la misurazione nella direzione di misurazione. Viene quindi introdotto un pezzo in lavorazione o materiale, che causa un cambiamento nel campo magnetico e induce una tensione nella bobina. Un circuito rileva questa tensione ed emette un segnale corrispondente. I sensori induttivi funzionano solo con pezzi in lavorazione/materiali magnetici.

Sensori capacitivi

La capacitanza indica la quantità di carica che due corpi elettricamente conduttivi, separati l’uno dall’altro da un mezzo isolante, possono assorbire quando viene applicata una tensione. Questa capacitanza cambia in funzione della misura.

Un sensore capacitivo è costituito da due elettrodi tra i quali viene creato un campo elettrico. Quest’ultimo cambia quando un oggetto si avvicina; il sensore rileva senza contatto il materiale nella sua zona attiva. Quindi converte il campo elettrico in un segnale elettrico.

Sensori di prossimità

I sensori di prossimità rilevano quando oggetti o persone si trovano nelle loro vicinanze. Inviano un raggio o un campo e quindi misurano le modifiche nel raggio o nel campo riflesso dall’oggetto o dalla persona.   Ciò consente loro di stimare le distanze e di agire sull’innesco corrispondente. Nel settore i sensori possono, ad esempio, rilevare la presenza di pezzi in lavorazione sui nastri trasportatori e controllare i processi operativi corrispondenti.

Selezione dei sensori: Quando utilizzare quale sensore?

Quando si selezionano i sensori, è necessario fare alcune considerazioni preliminari. Poiché i sensori sono integrati direttamente nei sistemi di controllo nei sistemi di automazione, l’utente deve verificare, ad esempio, che siano disponibili le interfacce richieste. Le interfacce possono essere, ad esempio:

• Interfacce analogiche come uscite e ingressi analogici
• Interfacce digitali come TTL, RS-232, SPI
• Interfacce wireless come Wi-Fi
• Elaborazione del segnale integrata o esterna

Anche le condizioni ambientali svolgono un ruolo nella selezione di un sensore adatto. Il sensore è esposto a temperature estreme? O vibrazioni? In ambienti umidi, ad esempio, il sensore deve essere impermeabile indipendentemente dal tipo e, se necessario, avere un grado di protezione corrispondente, come IP67. In ambienti con prodotti chimici aggressivi, il materiale utilizzato per alloggiamenti e guarnizioni deve essere resistente a tali sostanze.

Identificazione del sensore corretto, passo dopo passo

L’elenco seguente fornisce un riepilogo dei passaggi più importanti per la selezione di un sensore:

• Determinare la misura e il campo di misura: quale quantità fisica deve essere misurata ed è il valore massimo e minimo previsto coperto dalla misurazione e/o il sensore può sopportare anche i valori massimi?
• Determinare la precisione: i requisiti più alti o più bassi si applicano alla precisione?
• Analizzare le condizioni ambientali: in quali condizioni viene utilizzato il sensore? Esistono estremi in termini di temperatura, umidità, esposizione alla polvere, ecc.? Il sensore è esposto a prodotti chimici?
• Selezionare il formato di output e le interfacce: l’intero sistema di controllo svolge un ruolo in questo caso: che tipo di segnale può essere elaborato (ad es. analogico o digitale)?
• Considerare l’applicazione specifica: esistono requisiti speciali derivanti dall’applicazione specifica? Si applicano standard speciali? (vedere anche gli standard di sicurezza nell’ingegneria meccanica). Ad esempio, i sensori nelle camere bianche devono soddisfare requisiti elevati. È inoltre possibile che il sensore sia installato in un luogo difficile da raggiungere e quindi dovrebbe avere una necessità particolarmente bassa di manutenzione ed essere durevole. I sensori possono essere utilizzati anche per il controllo qualità e devono soddisfare determinati criteri, vedere anche l’articolo Tecnologia di misurazione - Controllo qualità attraverso metodi di misurazione.
• Tempo di risposta: con che velocità il sensore deve rispondere a condizioni mutevoli?
• Osservare i requisiti di spazio: il sensore può essere integrato facilmente nel sistema esistente e vi è spazio sufficiente?
• Anche i pezzi di fissaggio, i binari del sensore standardizzate dei sensori o i supporti per sensori possono essere utili per ottimizzare l’integrazione del sensore nei sistemi esistenti.

Puoi trovare ispirazione anche dalla nostra selezione di sensori.

Sensori nella tecnologia di automazione: i sensori intelligenti

Anche il continuo sviluppo dei sensori è stato fortemente influenzato dalla produzione digitalizzata nel contesto dell’Industria 4.0. I cosiddetti sensori intelligenti rappresentano gli ingredienti chiave in tal senso. Questi sensori sono la pietra miliare per il monitoraggio e il controllo dei processi industriali. Nel sistema complessivo di attuatori e controlli, i sensori intelligenti forniscono alle macchine tutte le informazioni necessarie per rendere la produzione più efficiente e accurata. Di conseguenza la tecnologia di automazione è diventata sempre più autonoma.

I sensori odierni hanno una risoluzione e una velocità così elevate e dimensioni ridotte che possono essere utilizzati direttamente nelle aree in cui vengono generati effetti fisici. Svolgono numerose funzioni nelle attrezzature all’avanguardia. Non sono più solo responsabili della semplice misurazione dei dati, ma ora possono eseguire anche attività di autodiagnosi, comunicazione ed elaborazione del segnale. I sensori possono rilevare e correggere le anomalie prima che diventino un problema in produzione. Questo processo viene quindi chiamato elaborazione controllata da sensore. Trova maggiori dettagli nel nostro articolo del blog Controllo numerico computerizzato - Che cos’è effettivamente il CNC?