Sensori e Trasduttori
Mirko Cianfrocca
Sommario
I SENSORI ....................................................................................................................................................... 3
SENSORI ON-OFF E SENSORI CONTINUI ................................................................................................ 3
FEEDBACK................................................................................................................................................... 3
SENSORI ANALOGICI E DIGITALI ............................................................................................................ 3
PARAMETRI DEI SENSORI ......................................................................................................................... 3
SENSORI PER IL CONTROLLO DI POSIZIONE E DI SPOSTAMENTO ........................................... 4
POTENZIOMETRI RETTILINEI................................................................................................................... 4
POTENZIOMETRI ROTANTI ....................................................................................................................... 5
TRASDUTTORI A RIGA OTTICA ................................................................................................................. 5
SENSORI PER IL CONTROLLO DI PROSSIMITÀ ................................................................................. 6
SENSORI A INDUZIONE.............................................................................................................................. 6
SENSORI AD EFFETTO HALL .................................................................................................................... 6
SENSORI MAGNETICI A CONTATTO REED ............................................................................................. 6
SENSORI CAPACITIVI ................................................................................................................................. 7
SENSORI PNEUMATICI............................................................................................................................... 7
SENSORE A RIFLESSIONE.......................................................................................................................... 8
SENSORE A GETTO DIRETTO .................................................................................................................... 8
VERSIONE A GETTI CONTRAPPOSTI ....................................................................................................... 8
SENSORI A ULTRASUONI ........................................................................................................................... 8
SENSORI OPTOELETTRONICI ................................................................................................................... 9
SENSORI PER IL CONTROLLO DI VIBRAZIONI ............................................................................... 10
ACCELEROMETRI ..................................................................................................................................... 10
TRASDUTTORE ACCELEROMETRICO CAPACITIVO ............................................................................ 11
SENSORE A CAPACITÀ VARIABILE......................................................................................................... 11
SENSORI PER IL CONTROLLO DI PESO E DI DEFORMAZIONE .................................................. 11
SENSORI ESTENSIMETRICI ..................................................................................................................... 12
CELLE DI CARICO .................................................................................................................................... 13
SENSORI PER IL CONTROLLO DI VELOCITÀ ................................................................................... 13
DINAMO TACHIMETRICA ........................................................................................................................ 13
RUOTA DENTATA CON SENSORE DI PROSSIMITÀ .............................................................................. 14
ENCODER OTTICO INCREMENTALE ..................................................................................................... 15
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Sensori e Trasduttori
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SENSORI PER IL CONTROLLO DI LIVELLO ...................................................................................... 16
TRASDUTTORE A ULTRASUONI .............................................................................................................. 17
TRASDUTTORI A MICROONDE ............................................................................................................... 17
TRASDUTTORI CAPACITIVI ..................................................................................................................... 19
TRASDUTTORI A CONDUTTIVITÀ........................................................................................................... 19
TRASDUTTORI A TASTEGGIO ELETTROMECCANICO......................................................................... 21
SENSORI PER IL CONTROLLO DI PORTATA..................................................................................... 22
TRASDUTTORI PER IL CONTROLLO DI PRESSIONE ...................................................................... 22
TRASDUTTORI CAPACITIVI ..................................................................................................................... 22
TRASDUTTORI ESTENSIMETRICI ........................................................................................................... 23
TRASDUTTORI POTENZIOMETRICI ....................................................................................................... 23
TRASDUTTORI PIEZOELETTRICI............................................................................................................ 23
SENSORI PER IL CONTROLLO DI TEMPERATURA ......................................................................... 23
TERMISTORI .............................................................................................................................................. 23
RESISTORI NTC (Negative Temperature Coefficient)................................................................................ 24
RESISTORI PTC (Positive Temperature Coefficient) ................................................................................. 24
RIVELATORI RTD (TERMORESISTENZE) ............................................................................................... 25
TERMOCOPPIE.......................................................................................................................................... 25
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I SENSORI
I sensori (o trasduttori) convertono una grandezza fisica in una grandezza elettrica, affinché la
prima possa essere riconosciuta e utilizzata dai circuiti di controllo di un dispositivo elettrico o
elettronico di gestione di un processo. Per definizione quindi il sensore controlla e trasforma delle
grandezze fisiche, chimiche, meccaniche ed elettriche generate dai processi tecnologici.
SENSORI ON-OFF E SENSORI CONTINUI
Si possono trovare in commercio due famiglie di sensori:
•
•
Sensori con semplici dispositivi di tipo ON/OFF oppure di livello O e 1. In essi viene utilizzato
un elemento a soglia, che attua una semplice commutazione quando viene superato il valore
impostato della grandezza da controllare.
Sensori con dispositivi capaci di trasformare in modo continuo una specifica grandezza fisica in
una grandezza elettrica, in grado di mantenere una relazione costante tra le due, tale da poter
essere matematicamente calcolata. In essi si utilizza un componente che è in grado di fornire in
uscita un valore continuo.
FEEDBACK
Associate all'utilizzo dei valori in uscita, esistono poi delle tecniche di trattamento dei segnali e di
regolazione per riportare il valore o grandezza dal trasduttore al regolatore o controllore del
processo (feedback). In questo secondo caso la relazione di proporzionalità, chiamata anche fattore
di proporzionalità, non sempre deve essere necessariamente lineare o perfettamente costante.
Importante è che essa sia conosciuta e continua, in modo da poter essere corretta con tecniche
appropriate ( linearizzazione del componente).
SENSORI ANALOGICI E DIGITALI
A seconda del tipo di segnale trattato si possono trovare sensori che mettono a disposizione in uscita
un segnale che varia in proporzione e in modo continuo al valore della grandezza fisica che lo
stesso sensore rileva: in questo caso si parla di trasduttori di tipo analogico.
Al contrario, ci sono sensori che emettono in uscita una serie di segnali numerici direttamente legati
al segnale rilevato: in questo caso si parla di trasduttori di tipo digitale.
PARAMETRI DEI SENSORI
I sensori sono contraddistinti da diversi parametri che ne descrivono il comportamento. È possibile
effettuare solo una classificazione generale dei parametri perché essi cambiano per ogni dispositivo.
In relazione a questa classificazione, si individuano due tipologie di parametri: quelli dinamici e
quegli statici.
•
•
I parametri dinamici considerano la dinamica del sensore per interpretare la misura in uscita
conseguente a veloci variazioni del segnale di ingresso (risposta in frequenza e a gradino).
I parametri statici riguardano un ventaglio molto più ampio di caratteristiche dei trasduttori; tra
queste si possono citare: l'accuratezza, il campo di misura, il campo di sicurezza, il campo di
taratura, l'isteresi, la linearità, l' offset di uscita, la precisione, la ripetibilità, la risoluzione, la
sensibilità, la stabilità e la vita.
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SENSORI PER IL CONTROLLO DI POSIZIONE E DI SPOSTAMENTO
I sensori e i trasduttori utilizzati per il controllo della posizione e dello spostamento trovano
applicazione nell'automazione in genere e in molti servomeccanismi.
Essi si possono distinguere in vari tipi specifici:
•
•
•
Lineari e rotativi,
Con uscita analogica o digitale,
Funzionanti in base a principi magnetici, induttivi e ottici.
POTENZIOMETRI RETTILINEI
Il principio di funzionamento del potenziometro rettilineo è lo stesso dei potenziometri lineari,
comunemente impiegati nei circuiti di misure elettriche ed elettroniche.
Il segnale presente sul cursore del potenziometro è in relazione alla posizione fisica che esso
occupa, in riferimento continuo ai due estremi dello stesso potenziometro.
In definitiva il concetto che sta alla base di questo trasduttore è la variazione della sua resistenza in
relazione allo spostamento impresso dal sistema sul quale è montato.
Un potenziometro rettilineo è normalmente composto da una resistenza e da un supporto di
ceramica, ma è più facile trovarlo composto da una pista conduttrice di plastica sulla quale viene
fatto scorrere un cursore con funzione di contatto.
Potenziometro rettilineo con resistenza e supporto in ceramica
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Potenziometro rettilineo con pista conduttrice in plastica
POTENZIOMETRI ROTANTI
Esistono anche potenziometri rotanti, costituiti da un conduttore avvolto di forma toroidale oppure
da conduttori plastici di forma circolare e sono caratterizzati da elevata precisione ed ingombro
ridotto.
TRASDUTTORI A RIGA OTTICA
I trasduttori definiti a riga ottica funzionano sul principio della lettura fotoelettrica di particolari
reticoli. Questo principio, prevede una riga di vetro, portante una griglia composta di linee opache e
spazi trasparenti di uguale larghezza (cioè avente un rapporto tra linea e spazio di 1:1), posizionata
di fronte a una seconda riga con griglia identica, così che le linee sono quasi parallele. Quando
queste griglie vengono mosse in relazione l'una all'altra, si formano delle fluttuazioni periodiche di
chiarore. L'aspetto molto interessante è dato dal fatto che queste fluttuazioni possono essere
convertite in segnali elettrici, impiegando dei sensori fotoelettrici. Per mezzo di questo metodo è
possibile ottenere, e quindi osservare, scale graduate molto fini, le quali possono produrre tolleranze
molto ristrette. Inoltre, il segnale può essere generato dall'integrazione di un grande numero di linee,
così che è possibile eliminare le piccole imperfezioni delle griglie, accrescendo l'accuratezza della
misura.
A seconda dello specifico sistema di misura adottato, i trasduttori a riga ottica si differenziano in:
•
•
•
Sistemi di misura secondo il principio della luce trasmessa;
Sistemi di misura secondo il principio della luce riflessa;
Sistemi di misura secondo il principio interferenziale. In tutte e tre le soluzioni i trasduttori
sono formati da due parti principali: una riga, che rappresenta la parte mobile, e un'unità di
misura, che rimane ferma.
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Schema di un sistema di misura a luce trasmessa
SENSORI PER IL CONTROLLO DI PROSSIMITÀ
I sensori utilizzati nei controlli di prossimità trovano impiego in molti settori; si utilizzano
nell’automazione industriale, nei servomeccanismi, nell’automazione degli uffici, nei sistemi
antifurto, ecc.
Essi hanno la caratteristica di rilevare la posizione in assenza di contatto, pertanto risultano
privilegiati rispetto agli altri sensori.
SENSORI A INDUZIONE
I sensori di prossimità induttivi vengono utilizzati per rilevare oggetti metallici. Sono composti da
da un oscillatore ad alta frequenza in grado di produrre un campo elettromagnetico. La presenza di
un oggetto metallico nell’area di azione del sensore determina una diminuzione dell’ampiezza
dell’oscillazione (poiché assorbe parte dell’energia elettromagnetica). Alla diminuzione
dell’ampiezza oltre una determinato soglia il sensore invia un segnale elettrico al dispositivo di
controllo.
SENSORI AD EFFETTO HALL
Quando una piastra metallica (detta cella di Hall) è attraversata da una corrente elettrica e la stessa
piastra è inserita in un campo magnetico ad essa perpendicolare, si genera una d.d.p. tra i bordi
opposti della piastra. Se la cella di Hall si avvicina un oggetto di natura ferromagnetica il campo
magnetico viene alterato, e conseguentemente si avrà una diminuzione della tensione sviluppata
dalla cella stessa.
SENSORI MAGNETICI A CONTATTO REED
Questi sensori sono formati da contatti speciali, denominati reed, azionati da una campo magnetico
esterno, generato da un magnete permanente. Un contatto reed (o ampolla reed) è formato da due
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barrette flessibili di materiale ferromagnetico piatte ed ermeticamente sigillate all’interno di un tubo
di vetro riempito da un gas inerte. All’interno dell’ampolla le due barrette hanno le estremità
prolungate, affacciate l’una sull’altra, ma senza toccarsi. Quando il contatto viene influenzato da un
campo magnetico le estremità delle barrette assumono polarità magnetica di segno opposto e
quando il campo magnetico sarà sufficientemente grande, le due barrette si toccano chiudendo il
contatto. Quando il campo magnetico cessa, l’effetto a molla delle barrette le riporterà nella
posizione di riposo, aprendo così il contatto.
Sensore magnetico a contatto Reed
SENSORI CAPACITIVI
I rilevatori di prossimità capacitivi sono dei sensori di tipo passivo che funzionano sfruttando la
variazione della capacità parassita che si forma tra il sensore e l’oggetto da rilevare.
Condizionatamente alla distanza che esiste tra l’oggetto da rilevare e la faccia sensibile del sensore,
entra in oscillazione un particolare circuito; l’oscillazione determina l’intervento di un rilevatore a
soglia, il quale comanda un amplificatore per l’azionamento del carico esterno.
Il sensore di prossimità capacitivo può essere impiegato per rilevare oggetti metallici oppure non
metallici, come per esempio il legno, la plastica, i liquidi ecc. Normalmente il sensore è provvisto di
regolatore a vite della distanza di rilevamento, in modo da poterlo adattare alla specifica
applicazione.
SENSORI PNEUMATICI
Anche nel campo della pneumatica è possibile ritrovare dei sensori che, per la loro particolare
struttura, possono essere utilizzati per rilevare degli oggetti nelle immediate vicinanze.
I diversi tipi di sensori pneumatici si possono dividere in due gruppi, denominati di prossimità e a
interruzione di getto.
La loro comune caratteristica è di utilizzare, se alimentati a bassa pressione, degli elementi di
amplificazione, in quanto anche il segnale in uscita risulta essere di insufficiente pressione.
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SENSORE A RIFLESSIONE
II primo tipo di sensori, denominato di prossimità o a riflessione, funziona sull’emissione di un
getto d’aria che, in condizioni di assenza dell’oggetto da rilevare, determina una depressione nel
condotto di rilevamento dello stesso sensore. A questa condizione viene associata una mancanza di
segnale e quindi, in termini elettrici, una condizione di contatto aperto (OFF). Se il getto d’aria
invece trova come ostacolo la presenza dell’oggetto da rilevare viene riflesso dall’oggetto e provoca
un aumento della pressione nel condotto di rilevamento. A questa seconda condizione viene
associata la presenza di segnale e quindi, in termini elettrici, una condizione di contatto chiuso
(ON).
Sensori a riflessione
SENSORE A GETTO DIRETTO
La versione a getto diretto è formata da un ugello emittente e da uno ricevente, ovviamente allineati.
Nella situazione di riposo l’ugello ricevente viene colpito dall’aria emessa dall’altro ugello,
determinando per mezzo dell’amplificatore un Segnale di uscita. Quando invece per la presenza di
un oggetto il flusso d’aria viene interrotto, il segnale in uscita viene annullato.
VERSIONE A GETTI CONTRAPPOSTI
Nella versione a getti contrapposti si crea una fuoriuscita d’aria sia nell’ugello emettitore sia in
quello ricevente. Nel secondo però essa ha una pressione inferiore e l’alimentazione viene derivata
dalla stessa dell’ugello emittente. In assenza dell’oggetto la differenza di pressione tra i due crea un
fronte d’impatto vicino all’uscita dell’ugello a minor pressione, generando una certa resistenza
all’uscita della sua aria. Questa resistenza provoca un ritorno di pressione con la conseguente
emissione del segnale nel condotto di rilevamento. Se invece si interpone tra i due flussi di aria un
oggetto, il flusso a maggior pressione fuoriesce liberamente, non. si crea il fronte d’impatto e, senza
la resistenza alla libera uscita dell’aria dell’ugello ricevitore, viene annullato il segnale in uscita.
SENSORI A ULTRASUONI
I sensori di prossimità ultrasonici si basano sul fenomeno dell’emissione di impulsi sonori a elevata
frequenza per saggiare la presenza di oggetti situati nelle loro immediate vicinanze. Il loro
funzionamento sfrutta il segnale di ritorno (eco) che gli oggetti azionatori riflettono. È
principalmente questa caratteristica che li rende idonei per rilevare oggetti di qualsiasi natura, anche
a distanza elevata.
L’elemento principale di trasduzione può essere un elemento piezoelettrico oppure un condensatore.
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Se il sensore a ultrasuoni possiede l’elemento emettitore e quello ricevente nel medesimo
contenitore e se nel campo di intervento non c’è nulla, il treno di impulsi si perde nell’aria e non
viene generato nessun segnale elettrico. Nel momento in cui un oggetto attraversa il campo di
intervento, il treno di impulsi viene riflesso e ritorna verso la fonte d’emissione. Viene rilevato dal
ricevitore, che lo converte in segnale elettrico.
Se il sensore ad ultrasuoni è formato dagli elementi emettitore e ricevente posti in contenitori
diversi e se nel campo di intervento non c’è nulla, il treno di impulsi arriva senza nessuna
interruzione all’elemento ricevente che genera un segnale elettrico continuo. Se risulta presente un
oggetto nel campo di intervento, il treno di impulsi viene interrotto con la conseguente cessazione
del segnale elettrico emesso in uscita. Naturalmente in questo caso i due elementi devono essere
opportunamente allineati.
Il sensore di prossimità a ultrasuoni può essere impiegato per rilevare oggetti metallici oppure non
metallici, come per esempio il legno, la plastica, i liquidi, cioè materiali che riflettono in modo
ineccepibile gli ultrasuoni; per quei materiali che assorbono gli ultrasuoni, come per esempio la
gommapiuma, e nel caso di impiego di sensori in un’unica custodia, viene installato nella zona
opposta al sensore uno schermo riflettente: in assenza di oggetti è lo stesso schermo a essere
rilevato; quando passa un oggetto gli impulsi sonori non vengono più ricevuti.
Sensori ad ultrasuoni
SENSORI OPTOELETTRONICI
l sensori optoelettronici, o fotoelettrici, fondano il loro funzionamento sulle capacità fisiche degli
elementi fotosensibili impiegati a cambiare le loro caratteristiche elettriche in relazione all’intensità
luminosa della luce che li colpisce.
La variazione dell’intensità luminosa della sorgente di luce che investe l’elemento ricevitore,
condizionata dalla presenza o dalla assenza dell’oggetto da rilevare, fa sì che quest’ultimo emetta
un segnale elettrico. Come per gli altri sensori di prossimità, anche il sensore optoelettronico non ha
nessun contatto fisico con l’oggetto da rilevare e conseguentemente è immune da qualsiasi reazione
fisica. Esso può rilevare oggetti di qualsiasi natura, con distanze che variano da pochi millimetri
sino a diversi metri.
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Sensori Optoelettronici
SENSORI PER IL CONTROLLO DI VIBRAZIONI
Il trasduttore che per eccellenza rappresenta gli apparecchi per il controllo della vibrazione prende il
nome di accelerometro.
Esso è un sistema elettromeccanico che trasforma energia meccanica in energia elettrica.
L’accelerometro ideale dovrebbe essere sensibile solamente alle vibrazioni. Ciò significa che esso
dovrebbe essere insensibile a perturbazioni estranee, quali deformazioni della base o della custodia,
accelerazioni trasversali, pressioni statiche, campi magnetici, acustici o altri fenomeni presenti in un
normale ambiente.
Nella pratica la misura delle vibrazioni è molto delicata; la trasformazione di uno stimolo
meccanico in un segnale elettrico può creare il maggiore errore di misura. In certe situazioni è lo
stesso montaggio del sensore a creare problemi. È quindi necessario scegliere in fase di
dimensionamento e progettazione il sensore che presenta le migliori caratteristiche per ogni
applicazione e sia di semplice montaggio.
I sensori utilizzati per il controllo delle vibrazioni impiegano normalmente trasduttori piezoelettrici
oppure capacitivi.
ACCELEROMETRI
Un trasduttore piezoelettrico funziona su fenomeni strettamente legati alla struttura molecolare di
alcuni cristalli, come per esempio il quarzo. Al manifestarsi di una vibrazione, la struttura
molecolare si deforma e genera delle cariche elettriche che, opportunamente trattate da amplificatori
elettronici, determinano dei segnali in uscita. L’accelerazione che ne deriva risulta direttamente
proporzionale alla variazione della velocità e inversamente proporzionale al tempo.
Un accelerometro ideale di questo tipo non è facile costruirlo, ma le moderne tecnologie si sono
notevolmente perfezionate.
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TRASDUTTORE ACCELEROMETRICO CAPACITIVO
produce un segnale di uscita a elevato livello in corrente continua proporzionale all’accelerazione.
Questo segnale viene realizzato per mezzo di un sensore capacitivo e un circuito elettronico
miniaturizzato, contenuto nella stessa custodia del sensore.
SENSORE A CAPACITÀ VARIABILE
è composto da un disco metallico molto fine, montato tra due elettrodi fissi e isolati
La posizione del disco sismico, in rapporto ai due elettrodi, è proporzionale al vettore
dell’accelerazione perpendicolare agli elettrodi.
Sensore a capacità variabile
SENSORI PER IL CONTROLLO DI PESO E DI DEFORMAZIONE
I sensori per il controllo del peso e della deformazione, ma più generalmente per il controllo della
forza, si fondano sul principio dell’alterazione provocata da uno sforzo su uno o più resistori,
facenti parte di un ponte di misura di tipo estensimetrico. Questi sensori possono essere
rappresentati da fogli plastici o da sottili placche di vetro con serigrafati dei resistori metallici
oppure da celle di carico, poste in opportuni contenitori, capaci di misurare sforzi molto intensi. Le
celle di carico adottano tecniche di misura molto diverse che vanno dai metodi estensimetrici (in
versione metallica o a semiconduttore) a quelli capacitivi, ottici o magnetici.
Le applicazioni che maggiormente adottano i sensori per il controllo della forza, riguardano i
sistemi di allarme, gli azionamenti industriali in genere, i comandi oleodinamici, i sistemi di
pesatura automatica, la misura delle deformazioni dei materiali nelle prove strutturali (es. di un
ponte).
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SENSORI ESTENSIMETRICI
Si definiscono trasduttori estensimetrici quei sensori che hanno la caratteristica di trasformare una
deformazione meccanica (o sollecitazione meccanica) in una variazione di resistenza.
Normalmente questi trasduttori formano uno o più lati di un ponte di Wheastone e la variazione
della loro resistenza è il fattore che provoca uno sbilanciamento della misura eseguita con il ponte e
conseguentemente una variazione del valore di tensione emesso.
Sensori estensimetrici
Essi, pur funzionando su un principio fisico di estrema semplicità, sono diventati con l’attuale
sviluppo tecnologico strumenti di rilevazione molto sofisticati. Questi sensori sono inoltre
caratterizzati da un costo relativamente basso.
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Modelli di griglie utilizzate negli estensimetri
Quando si utilizzano gli estensimetri è opportuno tenere conto della resistenza opposta dai cavi di
collegamento, per evitare di incorrere in errori, che possono rendere inattendibili le misure eseguite.
Le applicazioni nel settore dei trasduttori invece coprono l’intero campo delle misure di forza e
della pesatura, includendo sistemi di pesatura per tutti i tipi di processi industriali, persone, animali,
supermercati, posta e contenuto dei forni a microonde. Si arriva infine ad applicazioni particolari,
quali i sensori tattili in robotica e il controllo dell’allineamento di sistemi di irrigazione in
agricoltura.
CELLE DI CARICO
Le celle di carico rappresentano la parte principale di un sistema di pesatura elettronica. Esse sono
costituite da una provetta di materiale elastico (acciaio o alluminio), il quale, a causa di una forza
applicata, subisce una deformazione lineare che risulta essere proporzionale alla forza stessa. Alla
provetta vengono incollati quattro estensimetri, collegati a ponte di Wheastone, che ne seguono
fedelmente la deformazione. In base a questa semplice tecnologia si trasforma la deformazione
meccanica, provocata da una forza, in una variazione di resistenza elettrica lineare e proporzionale
alla forza stessa.
SENSORI PER IL CONTROLLO DI VELOCITÀ
I sensori per il controllo della velocità hanno il principale compito di generare dei segnali
proporzionali alla velocità del motore sul quale sono montati. Di solito questi segnali servono come
messaggi retroattivi, o di feedback, per permettere all’apparecchio di pilotaggio la gestione
dell’impianto o un controllo più accurato delle variabili del sistema.
I sensori che controllano la velocità possono essere di tre tipi diversi:
1. Dinamo tachimetriche
2. Ruote dentate con il sensore di prossimità
3. Encoder ottici incrementali.
Mentre la dinamo tachimetrica si presenta come una vera e propria macchina rotante, un encoder
ottico incrementale fonda la sua capacità di misurare la velocità nel fatto di poter calcolare lo
spostamento angolare moltiplicando la quantità di impulsi generati per la quantità delle distanze che
separano due settori contigui.
DINAMO TACHIMETRICA
Le dinamo tachimetriche si possono definire sensori analogici per misurare, regolare e controllare la
velocità, nelle applicazioni industriali a velocità variabile. La loro caratteristica, e la loro funzione
fondamentale è quella di fornire un’accurata immagine della rotazione, indicando simultaneamente
la velocità istantanea, la variazione di velocità, il passaggio per il punto di zero e la direzione di
rotazione.
Costruttivamente una dinamo tachimetrica è costituita da uno statore che contiene degli induttori a
magnete permanente e un rotore composto di un circuito magnetico con un elevato numero di cave
rotoriche. Per avere un ottimo funzionamento, a livello di fabbricazione, il collettore viene rifinito
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con utensili al diamante e le spazzole sono provate e rodate prima della taratura, in modo da
assicurare un buono e stabile contatto tra spazzola e collettore.
Per ottenere un sicuro funzionamento, nella fase di costruzione le dinamo devono venire tarate su
entrambi i sensi di rotazione e i rotori devono essere bilanciati dinamicamente per ridurre al minimo
le variazioni di segnale dovute alla rotazione.
Per garantire ottime prestazioni è importante effettuare il montaggio, l’allineamento e
l’accoppiamento con molta cura.
Lo sforzo trasmesso all’albero inoltre deve essere ridotto al minimo, in quanto le vibrazioni possono
condurre a una usura prematura delle spazzole e del collettore.
È da considerare poi che la presenza prossima di un campo magnetico può causare un abbassamento
della tensione erogata dalla dinamo.
RUOTA DENTATA CON SENSORE DI PROSSIMITÀ
I dispositivi con ruota dentata e con sensore di prossimità permettono di rilevare e analizzare la
velocità. In dettaglio essi consentono di controllare le velocità di rotazione superiori o inferiori a
quella prestabilita (rallentamento o sovravelocità), oppure rilevare le velocità di passaggio degli
oggetti, in riferimento a una soglia predefinita, oppure di costituire un contagiri elettronico. Il
sistema è costituito da un sensore di prossimità di tipo induttivo, capacitivo, magnetico a effetto
Hall oppure optoelettronico, azionato da un riferimento (azionatore), montato sull’asse rotante della
macchina da controllare e da un dispositivo di rivelazione della velocità.
Se per esempio viene utilizzato un sensore magnetico a effetto Hall, il controllo della velocità viene
realizzato dalla gestione degli impulsi, generati in concomitanza alla variazione del campo
magnetico effettuata dai denti della ruota. Da un lato in una cella di Hall, inserita in un campo
magnetico a essa perpendicolare, si fa passare una corrente elettrica e si genera una differenza di
potenziale tra i bordi opposti della stessa piastra. Dall’altro, i denti della ruota, passando nelle
vicinanze della cella di Hall, modificano il campo magnetico e determinano variazioni del valore
della tensione generata.
Lo specifico sensore di prossimità sarà scelto in base all’ingombro e alla distanza di funzionamento.
Il sistema, è considerato ad alta affidabilità e durata nel tempo e non subisce alterazioni alle proprie
caratteristiche anche se viene usato in ambienti e funzioni gravose, in quanto è privo di contatto
fisico.
Il sensore di prossimità invia un treno di impulsi al dispositivo di rilevazione, che li gestisce con
una particolare frequenza, in modo che il periodo sia inversamente proporzionale alla velocità di
rotazione; il periodo generato viene comparato dal dispositivo di rivelazione con un periodo
prefissato (regolabile in funzione alla velocità da rilevare), facente parte della base dei tempi
interna.
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ENCODER OTTICO INCREMENTALE
Il principio su cui si basano è la trasmissione di energia luminosa tra una sorgente luminosa (diodo
emettitore) ed un fotosensore di ricezione (fotodiodo o fototransistor), funzione del moto relativo tra
la coppia sorgente-ricevitore ed un corpo interposto, detto maschera mobile, caratterizzato da settori
opachi accanto a settori trasparenti. Il segnale raccolto dai fotosensori viene fornito in ingresso ad
un circuito comparatore che presenta in uscita un segnale logico alto se il segnale del fotosensore è
maggiore della soglia Vr , basso nel caso opposto.
Le transizioni del segnale digitale in uscita dal comparatore possono essere contate da un opportuno
circuito logico (contatore) che fornisce un numero digitale proporzionale alle transizioni chiaroscuro della maschera e quindi allo spostamento relativo tra la coppia sorgente–ricevitore e la
maschera stessa.
Lo spostamento viene rilevato per via incrementale rispetto ad una posizione di riferimento interno
(il canale di zero) od esterno (un interruttore meccanico). Tale configurazione viene adottata nella
maggioranza dei robot industriali che, in fase di accensione, eseguono un ciclo di movimentazione
per ciascun braccio allo scopo di azzerare uno ad uno gli encoder di cui dispongono.
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SENSORI PER IL CONTROLLO DI LIVELLO
Spesso è necessario monitorare la quantità di un mezzo (liquido, solido, in polvere o granulare),
inserito in un contenitore, in modo che vengano garantiti generalmente due livelli, minimo e
massimo, oltre ai quali subentra una situazione non accettabile. I trasduttori impiegati in questo
genere di controlli devono essere in grado di trasformare i valori delle misure eseguite in opportuni
segnali, in modo che con la loro elaborazione possano comandare o meno gli azionatori presenti. A
seconda della natura del prodotto da controllare, delle dimensioni del contenitore e di quale
materiale è composto il contenitore, si hanno a disposizione diverse tecniche. Esse si possono
differenziare a seconda dello specifico principio fisico impiegato, che può essere:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
A galleggiante;
A microonde;
A lamelle vibranti, ;
A ultrasuoni;
Ottico;
A tasteggio di origine elettromeccanica;
Capacitivo;
A pressione;
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9. A conduttività.
Verranno perciò di seguito illustrati i più rilevanti.
TRASDUTTORE A ULTRASUONI
Gli ultrasuoni sono onde sonore caratterizzate da una frequenza molto elevata (più di 20.000 cicli al
secondo). Essi conservano tutte le caratteristiche del suono, e cioè presentano il fenomeno dell’eco,
e si propagano con molta più rapidità nei materiali densi come l’acqua e i metalli. Un trasduttore
ultrasonico è formato essenzialmente da un sistema in grado di emettere un treno di impulsi
ultrasonici, rappresentato da un sensore a cristalli piezoelettrici, e ricevere le onde riflesse da
eventuali ostacoli. Se è nota la velocità delle sue onde nel mezzo trattato, i segnali che lo stesso
sistema riceve sono in relazione al tempo che intercorre tra l’emissione dei segnali e il ricevimento
del loro eco. In base a questi parametri è possibile risalire al livello di materiale presente all’interno
del contenitore.
Rilevamento del livello di un liquido tramite un sensore ultrasonico
I trasduttori di livello ultrasonici, collegati alle loro unità di controllo, permettono il rilevamento di
quasi tutti i materiali, liquidi, solidi o in polvere, senza necessità di contatto fisico. Essi sono
disponibili con due diversi tipi di uscite: ON/OFF (a relè) e analogica in corrente (da 4 a 20 mA).
TRASDUTTORI A MICROONDE
Il trasduttore a microonde è un apparecchio di misura del livello di liquidi, materiali pastosi e
fanghi, racchiuso in serbatoi di immagazzinamento o di processo produttivo, che non necessita di
contatto con il materiale presente nel recipiente.
Il trasduttore di livello a microonde è un apparecchio che fonda il proprio funzionamento
sull’emissione di onde elettromagnetiche a elevata frequenza ed è composto da due elementi,
l’emettitore e il ricevitore, che si possono trovare situati in custodie diverse oppure inseriti nella
medesima custodia. L’emettitore genera impulsi a microonda a una frequenza di 1 kHz circa, che
vengono rilevati con la stessa frequenza dal ricevitore. Nel caso in cui del materiale da rilevare si
interponga tra i due trasduttori, la frequenza ricevuta risulta minore di quella emessa e questa
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differenza fa intervenire l’apparecchio di rivelazione che determina la chiusura o l’apertura dei
contatti elettrici o il loro scambio.
Sistema con trasduttore a microonde
Nel caso in cui invece l’emettitore e il ricevitore si trovino nella medesima custodia è possibile
ottenere un funzionamento del trasduttore come nel caso appena descritto, allineandolo con un
pannello riflettente, oppure utilizzare una emissione di onde in modulazione di frequenza,
utilizzando il materiale da controllare come schermo riflettente.
Sistema con trasduttore a microonde (in un’unica custodia)
Un segnale lineare a onde in modulazione di frequenza con un’ampiezza costante viene cioè emesso
da una antenna e viene riflesso dall’oggetto da controllare. Il segnale dovuto alle microonde riflesse
viene ricevuto dopo un certo tempo di ritardo e, nel tragitto di ritorno, si mescola con una parte del
segnale di trasmissione. La frequenza del segnale misto risultante, che viene rilevata in uscita,
risulta così essere direttamente proporzionale al tempo di ritardo e conseguentemente costituisce
l’esatta indicazione della distanza tra il trasduttore e la superficie del materiale presente nel
contenitore (livello).
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TRASDUTTORI CAPACITIVI
Le sonde di livello che funzionano sul principio capacitivo vengono impiegate in tutti quei luoghi
nei quali è necessario controllare il livello di sostanze non conduttrici, liquide o solide, in polvere,
in granuli o in piccola pezzatura. Esse normalmente vengono inserite, verticalmente o lateralmente,
sulla parete di un serbatoio e le applicazioni più caratteristiche di questi trasduttori si riscontrano nei
silos per il controllo del livello di cereali, foraggi, nei mangimifici, pastifici, fonderie, cementerie
ecc.
Esempi di sonde di livello capacitive
Per poter controllare il livello di materiali così diversi ci si basa sulla variazione di capacità,
utilizzando un sensore come elettrodo, che può avere la forma di un’asta o di una fune, inserito
all’interno di un serbatoio. La superficie interna del serbatoio, o silo, e l’elettrodo formano le
armature di un ipotetico condensatore, la cui capacità varia in funzione della sostanza di
riempimento. La capacità risultante dipenderà quindi sia dal tipo di materiale utilizzato sia dalla sua
quantità presente all’interno del serbatoio.
È importante considerare il tipo di prodotto da rilevare (liquido, nelle varie densità, solido, dalla
polvere alle grosse pezzature, appiccicoso o aggressivo).
TRASDUTTORI A CONDUTTIVITÀ
I trasduttori di livello a conduttività non hanno la necessità di possedere un galleggiante. Essi sono
trasduttori per il controllo di liquidi elettricamente conduttori; funzionano sulla resistività dei liquidi
e rilevano il livello per mezzo di elettrodi annegati nel liquido conduttivo. La presenza di liquido tra
l’elettrodo, o gli elettrodi, e la superficie metallica del serbatoio o l’elettrodo di massa (sonde
rilevatrici), provoca il funzionamento del circuito elettronico, situato nell’unità di controllo, e la
conseguente commutazione dei contatti del relè in uscita. Generalmente questo tipo di trasduttori
trova applicazione nel circuito di comando di sistemi di pompaggio, dove permette di mantenere il
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livello di pozzi o serbatoi entro limiti prestabiliti, ma è possibile trovarlo anche inserito in sistemi
completamente diversi.
Schema di collegamento di un trasduttore (o regolatore) di livello con un contattore, il quale a sua
volta comanda il funzionamento di un motore e di una pompa
Il tipo rappresentato può svolgere le funzioni di mantenimento del liquido tra due punti prefissati
(ovviamente massimo e minimo), inserire un allarme al raggiungimento del massimo livello oppure
inserire l’allarme al raggiungimento del minimo livello.
I tre elettrodi utilizzati e rappresentati in figura svolgono le funzioni rispettivamente di OFF (E1),
ON (E2) e massa (E3). Nel caso in cui il serbatoio impiegato sia metallico, è possibile omettere
l’elettrodo di massa (E3) e collegare il suo morsetto alla superficie metallica del serbatoio.
In linea di massima nel controllo del livello di pozzi o serbatoi è possibile incontrare trasduttori a
due oppure a tre sonde. Quando il trasduttore a conduttività viene accoppiato a due sonde (minimo e
comune) l’intenzione principale è quella di proteggere il funzionamento contro la marcia a secco.
Quando viene alimentato il relè, contenuto nel sistema di questo trasduttore, si eccita e il sistema di
pompaggio si avvia automaticamente. Quando la sonda di minimo livello viene scoperta, e cioè si
verifica una interruzione del collegamento elettrico tra la sonda di minimo e la sonda comune, il
relè si diseccita.
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TRASDUTTORI A TASTEGGIO ELETTROMECCANICO
I sistemi che impiegano i trasduttori di livello a tasteggio elettromeccanico hanno conosciuto una
enorme diffusione nella misurazione continua di prodotti liquidi e solidi, contenuti in silos o in
serbatoi di processo produttivo e caratterizzati da un massimo livello di misura sia di tipo fisso sia
fluttuante.
Un trasduttore a tasteggio elettromeccanico si compone di tre parti fondamentali:
1. Un corpo principale;
2. Un filo;
3. Un peso (tastatore).
Il filo, che parte dal corpo principale e si collega al peso, ha una lunghezza che varia a seconda
dell’altezza del contenitore e del campo di rilevamento. Il filo viene controllato da un apposito
dispositivo che, rilevando l’allentamento della sua forza di tensione, comanda la sua risalita oppure
la sua discesa.
Esempio di sistema con trasduttore a tasteggio elettromeccanico
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SENSORI PER IL CONTROLLO DI PORTATA
Per prima cosa è importante sapere che la velocità di flusso di un fluido all’interno di una tubazione
si presenta con profili di tipo parabolico con valori nulli nelle vicinanze della parete e con valori
massimi al centro del tubo. Due sono le forze che si contrastano e che danno luogo a questo
fenomeno di conformazione parabolica: la quantità di moto del flusso e lo scorrimento viscoso.
I trasduttori per la misura della portata si possono suddividere in due principali categorie: i
trasduttori di portata volumetrici e quelli di massa.
1. Sensori Per deduzione: misurano il flusso di una massa, misurando dei segnali a essa
associati. Combinano in sostanza le misure di portata volumetrica con quelle di un
densimetro.
2. Sensori a massa reale; si tratta di misuratori di portata che funzionano sul principio di
Coriolis . Sono misuratori di massa reale che utilizzano le quantità di moto lineare e
angolare per calcolare la velocità dei fluidi.
TRASDUTTORI PER IL CONTROLLO DI PRESSIONE
La modalità tradizionale per misurare la pressione di un gas o di un liquido si basa sulla
trasformazione dello sforzo impresso per mezzo di un piccolo foro a una sottile membrana di
materiale, facendola deformare. Misurando la variazione della resistenza elettrica, indotta sugli
speciali resistori sparsi sulla superficie della membrana, si determina il valore di pressione.
Essi si differenziano a seconda del principio adottato nella trasduzione tra le forze applicate ed il
sistema elettrico e si possono distinguere in trasduttori di tipo estensimetrico, ottico, capacitivo,
induttivo e piezoresistivo.
Una misura può essere correlata a tre diversi riferimenti di pressione:
1. Pressione assoluta riferita al vuoto assoluto, creato all’interno del sensore di pressione.
2. Pressione relativa, ossia la pressione esterna al trasduttore (pressione barometrica).
3. Pressione relativa sigillata, riferita ad una precisa pressione di soglia creata e sigillata
all’interno del sensore di pressione.
TRASDUTTORI CAPACITIVI
I trasduttori di pressione capacitivi utilizzano un diaframma posizionato tra le due armature di un
condensatore, il quale muovendosi determina una variazione della capacità del condensatore. La
variazione della capacità viene utilizzata per cambiare la frequenza di un oscillatore.
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In questo tipo di trasduttori è sufficiente un piccolo spostamento per causare variazioni del segnale.
I trasduttori capacitivi risultano strumenti ideali per effettuare misure all’interno del vuoto e
presentano una eccellente precisione e un’ottima risoluzione.
TRASDUTTORI ESTENSIMETRICI
In questo tipo di trasduttori una pressione idraulica o pneumatica, agendo su un sistema di forze,
provoca una deflessione meccanica che viene trasmessa a un estensimetro. La sua variazione di
resistenza elettrica risulta dipendere dalla sua lunghezza e dalla pressione applicata. Se si inserisce
l’estensimetro in un ramo di un ponte di Wheastone, è possibile convertire lo stress meccanico
subito dall’estensimetro in segnale elettrico. L’uscita del ponte produrrà un valore di tensione che
varierà a seconda della sua resistenza risultante.
TRASDUTTORI POTENZIOMETRICI
La pressione, esercitata su un soffietto o su un tubo di Bourdon, è tradotta in segnale elettrico
mediante il movimento di un cursore attorno a un avvolgimento o a un resistore.
Il segnale, prodotto dallo spostamento del cursore, viene normalmente amplificato per incrementare
la risoluzione. Inoltre è spesso necessario impiegare una massa bilanciata per ridurre gli errori di
accelerazione.
TRASDUTTORI PIEZOELETTRICI
La forza applicata sulla membrana di questo tipo di trasduttori di pressione viene trasferita su un
asse di un cristallo asimmetrico. Sul cristallo quindi viene applicata una forza di tensione che lo
induce a generare una carica elettrica.
SENSORI PER IL CONTROLLO DI TEMPERATURA
Da sempre la misurazione e il rilevamento delle variazioni termiche sono stati le principali
applicazioni dei sensori. Tempo addietro si misurava la temperatura con metodi meccanici
sfruttando la dilatazione dei metalli o dei liquidi. Attualmente si impiegano sensori più sofisticati,
quali termistori, termocoppie, termoresistenze con sensori al silicio discreti o integrati.
Si può definire trasduttore di temperatura quel dispositivo che è capace di trasformare una
temperatura in una grandezza elettrica.
TERMISTORI
I termistori vengono utilizzati come sensori di temperatura, elementi di protezione e compensatori
di variazioni di temperatura nei circuiti. Essi a livello funzionale, si differenziano per il
riscaldamento che può essere del tipo diretto oppure indiretto.
l termistori con riscaldamento di tipo diretto ricavano la variazione di temperatura direttamente dal
passaggio della corrente nell’impasto. l termistori a riscaldamento indiretto invece sono dotati di
una piccola spirale che avvolge l’elemento resistivo ed è il passaggio della corrente in questa
piccola spirale che provoca la variazione di temperatura.
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La loro forma può essere di tipo a disco o cilindrica (forme caratteristiche dei termistori a
riscaldamento diretto e che sono dotate di due terminali di collegamento) oppure a goccia (questa
forma invece denota sia termistori a riscaldamento diretto sia indiretto e presenta strutturalmente
quattro terminali di collegamento).
RESISTORI NTC (Negative Temperature Coefficient)
Sono un particolare tipo di semiconduttori nei quali la resistenza diminuisce all’aumentare della
temperatura. Essi sono caratterizzati da un coefficiente termico elevato e negativo. Quando sono
inseriti in un circuito, essi trasformano la variazione di temperatura in variazione di tensione.
I resistori NTC introducono un errore dovuto all’autoriscaldamento e spesso la loro risposta deve
essere linearizzata.
Colore
Primo settore
Secondo settore
Moltiplicatore
Nero
0
0
1
MARRONE
1
1
10
ROSSO
2
2
102
ARANCIONE
3
3
103
GIALLO
4
4
104
VERDE
5
5
105
BLU
6
6
106
VIOLA
7
7
107
GRIGIO
8
8
BIANCO
9
9
Valori nominali dei termistori NTC mediante l’uso dei codici colore
(la lettura si esegue da sinistra verso destra)
RESISTORI PTC (Positive Temperature Coefficient)
Sono dei particolari tipi di semiconduttori nei quali la resistenza varia in funzione della temperatura.
A differenza dei precedenti, essi sono caratterizzati da un coefficiente termico sempre accentuato
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ma positivo. Le diverse forme che si trovano in commercio sono dello stesso tipo dei resistori NTC
e anch’essi utilizzano degli ossidi (di bario e di titanio) opportunamente trattati. Essi, a differenza
dei precedenti, producono una risposta fortemente non lineare, che solo in via sperimentale può
essere linearizzata.
RIVELATORI RTD (TERMORESISTENZE)
Un sistema molto diffuso per la misura della temperatura è l’utilizzo delle termoresistenze,
chiamate anche RTD (Resistence Temperature Detector).
Una termoresistenza è di fatto un elemento passivo formato da materiale metallico che varia il suo
valore resistivo in funzione della temperatura. In commercio si trovano termoresistenze in platino e
nichel aventi la forma di filo o di film e con valore resistivo pari a 100 ohm a 0 gradi centigradi.
Costruttivamente una termoresistenza è un filamento avvolto di platino o di nichel che viene
annegato in un materiale isolante, di solito ceramica o vetro. Nelle applicazioni industriali il campo
classico nel quale le termoresistenze vengono maggiormente utilizzate va dai -220°C agli 850°C.
Tra le caratteristiche negative è opportuno menzionare che le termoresistenze hanno un elevato
costo, presentano un autoriscaldamento, sono poco robuste e sono caratterizzate da una scarsa
resistenza alle vibrazioni.
La caratteristica positiva più evidente è data da una eccellente stabilità. Infine le caratteristiche
proprie delle termoresistenze sono una sensibilità distribuita lungo lo stelo, uno scarso ingombro, la
richiesta di alimentazione e un output in resistenza (ohm).
TERMOCOPPIE
Le termocoppie hanno rappresentato il primo metodo di misurazione elettrica della temperatura,
costituendo sensori estremamente semplici e affidabili. Denominate anche coppie bimetalliche o
coppie termoelettriche, esse basano il loro funzionamento sull’effetto di termoelettricità (effetto
Seebeck), il quale definisce il generarsi di un potenziale elettrico ai capi della termocoppia come
funzione della differenza di temperatura tra il giunto di misura e il giunto di riferimento. Nello
specifico se due differenti metalli vengono a contatto, alcuni elettroni passano da un metallo
all’altro. Lo spostamento continua fino a quando la tensione di contatto generata non lo blocca.
Questa particolare tensione di contatto dipende dai metalli usati e dalla loro temperatura (tensione
termoelettrica) e generalmente vale pochi μV. Nella situazione in cui i due metalli vengono chiusi
su un circuito elettrico e i due punti di contatto vengono riscaldati a differente temperatura, le
tensioni di contatto generate non si compensano più e si genera una circolazione di corrente
termoelettrica che trae la sua energia dalla sorgente di calore.
È un effetto che definisce una conversione diretta del calore in energia elettrica. l giunti che
caratterizzano la termocoppia sono anche chiamati giunto caldo e giunto freddo.
In base alla relazione sopra esposta è possibile per ogni tipo di giunzione stabilire un riferimento
tabellare, nel quale alla temperatura specifica del giunto corrisponde un valore di tensione generata.
La relazione risultante, però, non presenta un andamento lineare e la tensione riscontrata,
dell’ordine dei millivolt, varia in base ai materiali utilizzati.
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