Soluzioni a sensore per applicazioni industriali complesse

Il controllo industriale ha rappresentato uno dei primi ambienti di applicazione dei sensori moderni. Con l'aumentare della domanda di sistemi in grado di monitorare sicurezza ed efficienza, per il controllo di fattori quali calore, portata e vibrazione si è iniziato ad impiegare sensori progettati per fornire prestazioni affidabili in ambienti complessi. Questi sensori hanno inoltre consentito agli operatori di mantenersi a distanza di sicurezza dalle situazioni rischiose.

I sensori per applicazioni industriali comprendono oggi un ampio ventaglio di tipi di sensori, per il rilevamento di temperatura, pressione, composizione chimica, prossimità, forza, carico e livello. Le tecnologie impiegate comprendono sistemi microelettromeccanici (MEMS), nanotecnologie e comunicazioni wireless.

I sensori wireless vengono impiegati in sistemi ad esempio per il controllo di supervisione e l'acquisizione dati, dimostrando che questi dispositivi sono in grado di rispondere efficacemente alle esigenze delle applicazioni industriali. Questi sensori wireless vengono per la maggior parte utilizzati per applicazioni di posizione, prossimità, immagine e sicurezza. Un importante fattore dal quale dipenderà il successo di questi dispositivi è il basso consumo energetico; le reti di sensori wireless del prossimo futuro accumuleranno l'energia per realizzare prodotti industriali autonomi che saranno scollegati dalle prese elettriche (vedere l'articolo TechZone Sensori wireless per energy harvesting).

Oggi, dalla visione alle comunicazioni M2M, i sensori hanno trovato il loro spazio negli ambienti industriali. Con l'avanzare dell'automazione degli impianti di produzione, i sensori rivestono un ruolo importante: sono al cuore dell'espansione delle capacità industriali denominata "Industria 4.0", termine con il quale ci si riferisce alla cosiddetta "quarta rivoluzione industriale", caratterizzata dall'introduzione di nuovi metodi di auto-ottimizzazione, autoconfigurazione, autodiagnosi, conoscenza e supporto intelligente dei lavoratori nello svolgimento delle loro attività sempre più complesse.

L'obiettivo è la realizzazione della fabbrica intelligente (in inglese Smart Factory), caratterizzata da adattabilità, efficienza delle risorse e miglioramenti ergonomici, con il supporto di robotica, sistemi automatizzati e la cosiddetta "Internet delle cose" (o IoT, dall'inglese "Internet of Things").

Come vedremo, a determinare il tipo di sensore utilizzato e le sue proprietà è a volte l'applicazione, altre volte l'ambiente operativo ostile o per lo meno non accogliente. LDC1000 di Texas Instruments (Figura 1) è il primo convertitore induttanza-digitale al mondo che offre i vantaggi del rilevamento induttivo in una soluzione compatta a basso consumo. Il prodotto è disponibile in un contenitore SON-16 e offre diverse modalità di funzionamento. Un'interfaccia SPI semplifica la connessione a un MCU.


Il rilevamento induttivo è una tecnologia di rilevamento a corto raggio senza magneti e senza contatto che consente il rilevamento ad alta risoluzione di target conduttivi in presenza di interferenze non conduttive causate da polvere, sporcizia, unto e umidità. Il sensore può essere un filo avvolto, una bobina su una PCB, una bobina stampata con inchiostro conduttivo su un substrato flessibile, o persino una semplice molla. Supporta il posizionamento remoto, che rende il sensore adatto all'impiego in ambienti estremi e ostili.

I sensori a induzione generano e utilizzano un campo magnetico oscillante ad alta frequenza. Il target metallico che entra nel campo di rilevamento induce correnti parassite nel target, con la conseguente riduzione dell'ampiezza del segnale dell'oscillatore. Il circuito rilevatore riconosce quindi la specifica variazione di ampiezza e genera un segnale che attiva o disattiva l'uscita del sensore a stato solido.

La tecnologia del rilevamento induttivo permette misurazioni precise di posizione lineare/angolare, spostamento, movimento, compressione, vibrazione, composizione del metallo e molte altre applicazioni. Permette una risoluzione nell'ordine dei sub-micron in applicazioni di rilevamento della posizione con impedenza di risonanza a 16 bit e valori di induttanza a 24 bit. Il rilevamento induttivo può essere utilizzato per misurare la posizione, il movimento oppure la composizione di un target metallico o conduttivo, nonché per rilevare la compressione, l'estensione o la torsione di una molla.

Un altro esempio di sensore industriale è il sensore di temperatura e umidità relativa a chip singolo Si7013 di Silicon Labs, che viene utilizzato per applicazioni HVAC in termostati, igrostati e altri dispositivi analoghi. Il sensore è un CI CMOS monolitico nel quale sono integrati elementi di rilevamento anche dell'umidità, un convertitore analogico/digitale, elaborazione del segnale, calibrazione e un'interfaccia I²C.

I sensori di umidità e temperatura sono calibrati in fabbrica e i dati di calibrazione sono conservati nella memoria non volatile su chip. I sensori sono completamente intercambiabili, senza richiedere ricalibrazione o modifiche al software.

È possibile collegare un ingresso sensore ausiliario con gestione della potenza direttamente a una rete di termistori esterna o ad un altro sensore con uscita di tensione. Si7013 è disponibile in un contenitore DFN 3 x 3 mm ed è saldabile per rifusione.

Tra le caratteristiche chiave:

• Sensore di umidità relativa di precisione
• Sensore di temperatura
• Ingresso sensore seconda zona ausiliario (Si7013)
• Intervallo di funzionamento dallo 0 al 100% di umidità relativa
• Intervallo di funzionamento: -40 ~ +125 °C
• Ampio intervallo della tensione di ingresso: 1,9 ~ 3,6 V
• Basso consumo
• Interfaccia host I²C
• Riscaldatore integrato su chip
• Contenitore QFN 3 x 3 mm
• Eccellente stabilità termica
• Calibrato in fabbrica
• Protezione a vita durante la rifusione e il funzionamento
• Qualificato AEC-Q100 per il settore automotive

Le vibrazioni rappresentano un problema comune che deve essere monitorato attentamente negli ambienti industriali. Il sensore di vibrazioni triassiale digitale ADIS16228 con storage e analisi FTT di Analog Devices (Figura 2) è un sistema completo di rilevamento delle vibrazioni che combina il rilevamento dell'accelerazione triassiale con l'elaborazione avanzata del segnale nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza.

La frequenza di campionamento di 20,48 ksps e la banda di frequenza piatta a 5 kHz forniscono una risposta in frequenza adatta a molte applicazioni di collaudo dei macchinari. Il nucleo in alluminio assicura un eccellente accoppiamento meccanico ai sensori di accelerazione MEMS.

Un clock interno comanda il sistema di campionamento dati e di elaborazione del segnale durante tutte le operazioni, eliminando la necessità di un generatore di segnali di clock esterno. La funzione di acquisizione dati ha tre modalità che offrono varie opzioni per rispondere alle esigenze di molte applicazioni diverse. Inoltre, la modalità in tempo reale offre accesso diretto ai dati in streaming su un asse.


La struttura del buffer SPI e dati offre un comodo accesso all'uscita dati. ADIS16228 offre anche un sensore di temperatura digitale e misurazioni digitali dell'alimentazione. Il dispositivo viene utilizzato in applicazioni industriali quali analisi delle vibrazioni, monitoraggio delle condizioni, integrità delle macchine, strumentazione, diagnostica e rilevamento degli arresti di sicurezza. È disponibile in un modulo 15 × 24 × 15 mm con flange, fori per viti a macchina M2 e un connettore flessibile per un'interfaccia utente e un'installazione semplice. ADIS16228 è compatibile per ingombro e piedinatura con l'inclinometro digitale ADIS16210, che fornisce misurazioni precise degli angoli di rollio e imbardata su un intervallo di orientamento completo di ±180°. ADIS16228 vanta un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +125 °C.

ADIS16000 e ADIS16229 (con un ricevitore RF embedded) di Analog Devices permettono di creare una semplice rete wireless di rilevamento delle vibrazioni per un'ampia varietà di applicazioni industriali. ADIS16000 fornisce la funzione gateway, per la gestione della rete, mentre ADIS16229 fornisce la funzione di telerilevamento.

La proliferazione di sistemi avanzati di controllo elettronico ha comportato importanti miglioramenti in termini di precisione dei sensori, nonché di affidabilità, tempo di risposta, robustezza, miniaturizzazione, capacità di comunicazione ed efficienza. Questi miglioramenti hanno a loro volta dato nuovo impulso alla ricerca e allo sviluppo, ampliando le opportunità per nuove applicazioni dei sensori. In futuro gli impianti industriali saranno tutti dotati di maggiore intelligenza, per una migliore gestione della complessità, della sicurezza e delle operazioni. Con ogni probabilità i sistemi di per queste applicazioni saranno dispositivi molto piccoli, dal consumo contenuto e dal costo nettamente inferiore rispetto ai sensori precedenti che non garantivano l'integrazione serrata di componenti elettronici intelligenti con gli elementi di rilevamento. Inoltre, questi dispositivi sono spesso alloggiati in un singolo chip e operano in modalità wireless.

In questo articolo abbiamo presentato alcuni sensori di recente introduzione, particolarmente adatti all'ambiente industriale. Per ulteriori informazioni sui componenti trattati, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine informative sui prodotti del sito DigiKey.