Sensore di distanza CapSensorHQ
Questo sensore è composto da una semplice piastra di rame o di alluminio connessa ad uno slave speciale di tipo CapSensor HQ (che significa High Quality) Come sensore è possibile usare qualunque oggetto conduttivo, anche di forma non regolare.
Il sensore deve essere connesso al pin marcato “Sensor” con un filo non schermato e non molto lungo (da qualche centimetro a qualche decina di centimetri al massimo)
Il pin marcato “GND” può essere lasciato libero oppure connesso ad una massa metallica di riferimento che in alcuni casi può stabilizzare la misura, ridurre il rumore e aumentare la distanza massima usabile. La massa di riferimento deve essere connessa con un filo non più lungo di qualche decina di centimetri e non deve essere affacciata al sensore o troppo vicina ad esso perché altrimenti la capacità del sensore aumenterebbe troppo e il raggio di azione si ridurrebbe.
La superficie del sensore può andare da pochi centimetri quadri fino a circa un metro quadro. Con sensori grandi si ottiene un raggio di azione di molti metri, con sensori piccoli il raggio di azione si riduce a poche decine di centimetri.
Il sensore e il suo filo di connessione devono essere posizionati lontano da parti metalliche e da circuiti elettronici che possono creare disturbi. In genere la distanza da rispettare è paragonabile al raggio di azione desiderato.
Se si usano contemporaneamente più CapSensorHQ allora i loro sensori devono essere lontani uno dall’altro di una distanza paragonabile al loro raggio di azione. Se li si avvicina troppo può accadere che si influenzino tra loro, si può verificare se si sono agganciati tra loro controllando se le loro frequenze sono identiche (le frequenze si leggono nelle proprietà dei pin del programma HAL). Per evitare che due sensori adiacenti si influenzino è possibile applicare un condensatore da 15pF (NPO) tra i terminali GND e Sensor su uno solo di essi (se sono due soli), oppure su tutti i sensori dispari (se sono molti)
Funzionamento del CapSensorHQ
Il funzionamento è basato su una misura iniziale chiamata “calibrazione” che memorizza il valore di capacità del sensore in condizioni di riposo.
In seguito l’avvicinarsi di qualunque oggetto conduttivo, una mano o un oggetto metallico, aumenta la capacità del sensore di una quantità molto piccola proporzionale alla distanza tra sensore e oggetto.
Per mezzo di un FET a basso rumore e di un convertitore ADC a 24 bit gli slaves di tipo CapSensorHQ riescono a misurare con precisione variazioni di capacità piccolissime, anche inferiori al millesimo di PicoFarad, e forniscono al software di misura un valore digitale molto preciso e stabile.
Il software di misura, che si trova nel programma HAL, tenendo conto del valore di calibrazione, delle capacità parassite e delle leggi fisiche che legano aree, distanze e capacità elettriche, effettua un calcolo molto complesso che trasforma i dati grezzi in un valore di distanza abbastanza lineare.
Il CapSensorHQ è meno preciso e meno lineare di un sensore di distanza a ultrasuoni ma ha una proprietà unica, la gradualità della misura di distanza che non può in nessun modo “saltare” tra due valori.
La gradualità e la velocità di risposta dei CapSensorHQ non sono ottenibili con nessun altro sensore. Solo con i CapSensorHQ è possibile guidare suoni e video in modo sempre lineare e piacevole.
Sensori di distanza Sharp a infrarossi
Questi sensori usano i raggi infrarossi, collimati in un fascio molto stretto con una lente e misurano la distanza tra sensore e bersaglio con il metodo della triangolazione.
Per i particolari consultare la pagina: hardware/sensors/sharp-sensors
Sensore di distanza a ultrasuoni “SRF05″
Per la misura precisa di tempi generati da questo modulo che vanno da qualche micro secondo a 30 mS si deve usare il tipo di pin “Usound_Sensor” disponibile sul pin 9 dei moduli “Generic” e “Servo”.
Fare attenzione all’ordine dei fili, che è differente tra i moduli tipo “SRF05″ e i connettori standard del sistema Theremino.
SRF05sensor: GND Signal +5V Theremino: GND +5V Signal
Questo modulo consuma solo 4 mA, se ne possono collegare un gran numero a un sistema Theremino con alimentazione da USB.
Caratteristiche
Sono misurabili distanze da 1 cm a 4 mt, con risoluzione di 0,1 mm (16 bit) o di 1 cm (8 bit). L’ampiezza del fascio di ultrasuoni è di circa 60° (curva rossa), ma può essere facilmente ridotta a 30° (curva verde), con completa eliminazione dei lobi laterali, con due tubi di materiale morbido che sporgono di circa 10 mm oltre la sommità dei sensori.
Articolo originale e caratteristiche di attenuazione presso:
http://www.robot-electronics.co.uk/htm/reducing_sidelobes_of_srf10.htm
Tastiere capacitive e sensori di prossimità
I tasti di tipo CapTouch si collegano ai “Pin” del sistema Theremino con un filo elettrico o con una pista su un circuito stampato, come PinType si sceglie “Cap_8″, oppure “Cap_16″ se necessita una maggiore risoluzione per i controlli speciali di tipo X/Y e “slider”
Ogni tasto è composto da una piastrina di materiale conduttivo. Le piastrine sono normalmente di dimensioni adatte ad essere toccate con un dito ma possono anche essere molto piccole, molto grandi e di qualunque forma come, ad esempio, i tasti di un pianoforte o i petali di un fiore.
Se si usa una piastra di circuito stampato è bene tenere il rame sulla faccia superiore, si copre poi il tutto con un foglio di carta stampata con il disegno dei tasti ed infine con un foglio di plastica trasparente sottile per avere una superficie impermeabile e facile da pulire.
I cursori di tipo “slider” si compongono con forma “multi-triangolare” che è sensibile ai movimenti in direzione verticale ma che presenta una sensibilità molto bassa ai movimenti in direzione laterale (la forma multi-triangolare è un nostro miglioramento rispetto alle soluzioni Microchip che sono più complesse, poco lineari, e con risposta ai movimenti meno simile ad un vero “slider”)
I controlli che agiscono su due assi, come un mouse, richiedono quattro piastre “multi-triangolari” rivolte nelle quatto direzioni e un software particolare per comporre i quattro valori in due assi X/Y ed un asse Z che rappresenta la altezza.
La tecnologia CapTouch può anche sostituire i classici “sensori di prossimità” molto usati nei controlli industriali ma con un costo minore, un’area sensibile di qualunque forma ed una sensibilità regolabile.
- funzionano anche attraverso uno strato di carta o plastica spesso molti millimetri
- i fili possono essere abbastanza lunghi e non devono essere schermati
- i pulsanti non soffrono di disturbi radio
- hanno una risposta velocissima (qualche millisecondo)
- non producono rimbalzi
- costano molto meno dei pulsanti meccanici
- non patiscono l’umido
- uno slave “Servo” ne può leggere otto in modo diretto (uno per pin)
- con tecniche di incrocio si possono leggere fino a 36 tasti con un solo servo
Sensori di luce
Molti tipi di sensori di luce, fotodiodi e fotoresistori sono facilmente collegabili agli ingressi standard del sistema Theremino.
Per i particolari consultare la pagina: hardware/sensors/light-sensors
Potenziometri
I potenziometri devono essere alimentati con tensione di 3.3 volt in modo da ottenere la giusta escursione da zero al massimo leggendoli con un ADC. Potrebbe bastare un resistore tra il +5V e il potenziometro, calcolato in base al valore resistivo del potenziometro, in modo da ottenere 3.3 volt. Questo metodo però ha due difetti: il primo è che il 5 volt derivato dalla porta USB è piuttosto rumoroso e può cambiare anche di mezzo volt da un computer all’altro. Il secondo difetto è che il valore di resistenza reale del potenziometro spesso è abbastanza diverso da quello teorico per cui la tensione effettiva non sarà di 3.3 volt esatti e non si riuscirà ad arrivare al massimo oppure ci si arriverà prima del fondo corsa. Per evitare i precedenti problemi è bene alimentare il potenziometro con un regolatore a 3.3 volt, vedere ad esempio quello illustrato alla fine di questo documento.
Resistori variabili
I resistori variabili si connettono tra massa e segnale (i due estremi del connettore) lasciando libero il filo centrale che porta la alimentazione. Come tipo di Pin si sceglie Res_8 o Res_16 che è disponibile su quasi tutti i pin degli slave. Un resistore variabile in pratica è un potenziometro usato con due soli terminali (lasciando libero uno degli estremi del potenziometro). Questo tipo di connessione comporta come vantaggio la semplicità, due soli fili e niente alimentazione. Come svantaggio però, per usare esattamente tutto il range di valori tra il minimo e il massimo (normalmente da 0 a 1000), si dovrebbe usare un potenziometro da 50 Kohm precisi, e tarare la corrente interna dei Pin di tipo “Res” cosa non realizzabile in pratica. Per cui come resistore variabile si deve usare un potenziometro da 47 Kohm che produce valori tra 0 e 940, con un certo margine prima del massimo e infine tarare il range di uscita nelle proprietà del Pin.
Sensore di liquido nei tubi
Per identificare la presenza di liquido in tubi di plastica trasparenti da 1.6 mm a 6.3 mm di diametro i sensori OPB350 sono comodi, poco costosi e possono essere facilmente collegati al sistema Theremino.
Per leggere il valore si imposta l’ingresso come “ADC” in modo da avere una rilevazione proporzionale. Un valore proporzionale rende possibile discriminare la presenza del liquido ma anche misurare la sua torbidità e rilevare la presenza di particelle solide nel flusso.
In casi particolari, con liquidi molto torbidi o molto trasparenti, se il valore misurato fosse molto basso o molto alto, si potrebbe aumentare il valore del resistore da 10k fino a 100k oppure abbassarlo fino a 1k.
Se la luce ambiente non fosse troppo forte si potrebbe far lavorare il led con corrente minore dei 18 mA standard e risparmiare corrente nel caso si usino molti di questi sensori. Con un resistore da 3300 ohm, ad esempio, la corrente sarebbe circa 1 mA e si potrebbe compensare la perdita di segnale alzando il resistore da 10k fino a 100k o anche a 220k.
Questi sensori sono disponibili in vari modelli con prezzi da 4 a 10 euro circa presso Farnell,
andare sul sito http://it.farnell.com e cercare OPB350
Sempre presso Farnell è disponobile il data-sheet con i dati tecnici completi.
http://www.farnell.com/datasheets/4603.pdf
-
Adattatore per OPB350 su PCB o su millefori
Seguendo la traccia delle immagini seguenti è possibile realizzare un adattatore su un ritaglio di piastrina millefori o su un circuito stampato.
Le prime due immagini sono per il modello stretto di APB350 le due seguenti sono per il modello largo. I progetti completi in formato Eagle si possono scaricare da qui: AdapterOPB350_EagleProjects
Sensori di umidità
Per misurare l’umidità con buona precisione si consiglia il sensore Honeywell HIH-4030 che è facilmente reperibile ad esempio presso RobotItaly.
http://www.robot-italy.com/product_info.php?cPath=15_51&products_id=1355
Questo non è un sensore molto economico, costa circa 15 Euro, ma si tratta del più preciso disponibile, superiore a quelli capacitivi/resistivi.
La risposta è molto lineare. La stabilità in temperatura è buona e potrebbe essere migliorata misurando anche la temperatura.
-
Fare attenzione all’ordine dei fili che è differente tra il sensore HH-4030 e i connettori standard di Theremino.
HH-4030: GND OUT +5V Theremino: GND +5V Signal
Per questi sensori si usano i tipi di pin “Adc8″ o “Adc16″
Sensori di PH e di ORP (Oxidation/Reduction Potential)
Per misurare il PH si consigliano questi ottimi adattatori costruiti da Phidgets che costano circa 25 euro.
Qui si trovano le informazioni principali: www.phidgets.com/products.php?product_id=1130_0
Nella user-guide si trovano tutte le caratteristiche elettriche, le formule per la taratura e consigli su quali elettrodi usare www.phidgets.com/docs/1130_User_Guide
Dato che questo sensore fornisce una uscita da 0 a 5 volt e che gli ingressi del sistema Theremino usano uno standard da 0 a 3.3 Volt si deve aggiungere, sul cavo di collegamento, un partitore resistivo da 10k in serie al segnale e 22K verso massa.
Bianco --------@-- 10K --@---------- Bianco
|
22K
|
PH SENSOR Rosso ----------------------------- Rosso MASTER
|
Nero ------------------@---------- Nero
Come soluzione alternativa si potrebbe sostituire un resistore sul modulo Phidgets. Se non sapete come farlo scriveteci e vi aiuteremo con disegni dettagliati.
Accelerometri
Questi componenti sono ottimi per i sismografi, la loro banda passante (da 0.5Hz a 50Hz) è ideale per la rilevazione dei terremoti ma possono essere usati anche per altre applicazioni che richiedono un controllo simile al “Wiimote” della console Nintendo.
Lo ADXL335 è un accelerometro da +/-3G con ottime caratteristiche ed e’ reperibile in chip o in versione pre-assemblata. Lo MMA7361L ha la sensibilità regolabile da +/-1.5G a +/-6G ma si trova solo in versione chip (molto piccolo e difficile da collegare)
Per i particolari consultare la pagina: hardware/sensors/accelerometers
Sensori di campo magnetico
Per misurare il campo magnetico si consigliano i sensori A1301 e A1302 prodotti da Allegro Microsystems, il 1301 è più sensibile, costa meno, e andrà meglio in quasi tutte le applicazioni. Vedere catalogo Farnell: http://it.farnell.com e cercare A1301/A1302. Il costruttore indica di alimentarli da 4.5 a 6 volt basandosi sul regolatore interno e su un funzionamento di tipo ratio-metrico ma dopo molte prove abbiamo trovato che con una tensione stabilizzata esternamente a 3.3 volt si ottengono caratteristiche di stabilità e di rumore molto migliori nonchè una posizione di riposo esattamente a metà del campo di valori dell’ADC. Ecco le caratteristiche per i due modelli
SENSOR Sensitivity Saturation Power supply Price approx
( mV/Gauss ) ( Gauss ) ( mA ) 1/10 pcs
-----------------------------------------------------------------
A1301 1.65 +/- 1000 11 mA 1.5/1.2 Euro
A1302 0.87 +/- 1900 11 mA 1.7/1.3 Euro
-
Questi sensori sono disponibili in versione per montaggio superficiale ( SMD ) o con i piedini normali ( SIP ), ecco i contenitori per le due versioni. Fare attenzione che l’ordine dei collegamenti è diverso a seconda della versione ( SMD o SIP ) e che in tutti e due i casi è differente rispetto allo standard del sistema Theremino.
——————————————
——————————————
——————————————
——————————————
——————————————
———————————————————————————— 
Per ottenere la massima sensibilità e il minimo rumore è bene alimentare questi sensori con il regolatore da 3.3 volt visibile in questa immagine e illustrato alla fine di questo documento. Questa immagine mostra anche come invertire i fili per adattare la sequenza dei collegamenti a quella del sensore di tipo SIP. In questo esempio non si sono usati i connettori e il regolatore è stato saldato lungo il cavo ottenendo un cablaggio piccolo e robusto.Infine un tubetto termo-restringente completerà il cablaggio, isolando il regolatore e aumentando la robustezza delle connessioni.
Sensori di “Soffio” e di pressione
Per rivelare differenze di pressione debolissime si può usare un microfono electret connesso a questo pre-amplificatore, l’uscita può essere connessa direttamente a qualunque pin del sistema Theremino configurato come ADC. Usare un microfono electret a due terminali (non quelli a tre terminali) e fare attenzione a connettere la parte che fa anche capo alla carcassa al collegamento di massa (IN-) Questo pre-amplificatore è progettato per connetterlo ad un tubo interrato che funziona da rivelatore di passi. Il tubo viene collegato ermeticamente al microfono e la sensibilità è altissima in modo da rivelare piccoli movimenti dello strato di terra che copre il tubo. Se si vuole usare questo rivelatore con minore sensibilità, ad esempio come rivelatore di soffio, è bene abbassare C2 e C4 a 1uF e alzare R2 e R4 a 100K. Se la sensibiltà fosse ancora troppa alzare ulteriormente R2 e R4. Con queste modifiche si migliora anche il tempo di assestamento iniziale che con i valori originali è molto lungo (circa un minuto).
Sensori di radiazioni con tubo Geiger
Per misurare le radiazioni di tipo Alfa, Beta e Gamma è disponibile un sensore adattabile a tutti i modelli di tubo geiger di produzione russa o americana che richiedono da 300 a 550 volt di alimentazione.
SENSORE (alimentatore e adattatore di segnale)
Questi sensori sono compatibili con gli ingressi di tipo Counter (solo per bassi livelli di radiazione) o meglio FastCounter che funziona bene a tutti i livelli, fino al massimo misurabile con i tubi geiger.
La tensione di alimentazione di questi sensori può variare tra 3.5 volt e 6 volt per cui possono essere alimentati dallo stesso connettore che si usa normalmente per tutti i sensori del sistema Theremino. Il consumo di corrente è di circa 10 uA con livelli di radiazione normali (intorno a 0.1 micro Sievert per ora) e cresce fino a 6 mA quando la radiazione è pari alla massima misurabile con i tubi geiger. (circa 10 milli Sievert) Per quanto siano presenti tensioni elevate questo sensore è perfettamente sicuro, la sua limitazione di corrente a 25 micro ampere è così efficace che può essere toccato a mani nude in ogni punto senza pericolo e senza avvertire la minima sensazione di fastidio.
Le dimensioni del GeigerAdapter sono: 26 x 36 mm.
Per informazioni sui componenti per il GeigerAdapter consultare: www.theremino.com/contacts/producers
Gli schemi e il Datasheet si trovano qui: www.theremino.com/technical/schematics (a fine pagina)
TUBI GEIGER
Questi sono i tubi geiger che consigliamo, sono i migliori e li abbiamo provati a lungo. I prezzi tra parentesi sono solo indicativi, si tratta del prezzo che si trova normalmente su eBay.
Sensori di radiazioni con diodi PIN
I sensori di radiazioni con diodo Pin sono meno costosi ma anche meno sensibili di un tubo Geiger. Questo è un diodo PIN di tipo BPW34, costa circa 0.5 Euro ed è uno dei migliori per rivelare radiazioni BETA/GAMMA. La sensibilità del BPW34 è circa 0.6 CPS per mR/h (circa un ventesimo di un tubo geiger). Per amplificare il debole segnale dei diodi pin è necessario un amplificatore di carica, quelli reperibili in commercio sono molto costosi da 150 a 300 euro e più, hanno un consumo di molti milli ampere e richiedono una doppia alimentazione, solitamente di 12 volt positivi e 12 volt negativi.
Questo amplificatore di carica a basso costo, sviluppato su misura per il sistema Theremino, ha un consumo bassissimo (circa 10 micro ampere) e può essere alimentato con una tensione singola da 3.5 a 6 volt. Le sue buone caratteristiche di rumore permettono di amplificare anche molti diodi pin in parallelo aumentando in proporzione la sensibilità.
Sensori di corrente alternata
Con i sensori di corrente alternata è possibile misurare la corrente assorbita da un elettrodomestico, da un motore o da un intero impianto elettrico. Misurando con un canale ADC alla massima velocità di ripetizione è facendo la media dei quadrati (RMS ovvero “Root Mean Square”) e infine moltiplicando per 220 (la tensione di rete), con un programma sul PC, si ottiene una misura precisa della potenza con la risoluzione di un watt. Noi consigliamo il sensore (trasformatore di corrente) modello 3110 della CR-Magnetics che costa indicativamente intorno ai 10 euro, è molto preciso e può misurare potenze fino a 16 KWatt (75 Ampere a 220 volt). Il sensore 3110 permette di fare misure in tutta sicurezza in quanto dispone di un ottimo isolamento ed è certificato CE e ISO (le certificazioni sono disponibili su richiesta)
Model 3110 specifications ---------------------------------- Max primary current: 75Aac Frequency: 50/60 Hz Secondary turns: 3000 DC resistance: 460 Ohms Precision: 1% Isolation continuous: 1KV Isolation max: 5KV Wire lead: AWG 18
Un ponte di diodi rende positive ambedue le semionde facilitando i calcoli da fare in software, inoltre questo metodo elimina la necessità di calibrare il punto di zero. Non ci si deve preoccupare della caduta sui diodi e della sua variazione con la temperatura perché il trasformatore di corrente è un generatore di corrente quasi perfetto. A seconda del fondo scala desiderato il valore del resistore di carico deve essere scelto come da tabella:
Fondo scalaWatt |
Fondo scalaAmpere AC |
Resistore di carico per un fondo scala di circa 3 volt (lasciando un piccolo margine prima dei 3.3V) |
Risoluzione di misuraWatt |
| 16000 | 72.8 | 180 | 1 |
| 8000 | 36.4 | 360 | 0.5 |
| 4000 | 18.2 | 720 | 0.2 |
| 2000 | 9.1 | 1500 | 0.1 |
| 1000 | 4.5 | 3000 | 0.05 |
Sensori di Tensione e Corrente – Versione semplice
Tensioni riferite a massa possono essere misurate con un semplice partitore resistivo e con un normale ingresso ADC. Dei connettori standard di InOut si usano solo i due pin estremi, Massa e Segnale, mentre il pin centrale che porta il +5 non viene collegato.
(+) ------- R1 ---@--------- White(bianco)
| Theremino
Input voltage R2 --- Red(rosso) standard
| InOut Pin
(-) --------------@--------- Black(nero)
Tra segnale e massa si collega un resistore che chiameremo R2, invece tra il positivo della tensione da misurare e il pin di segnale si collega un resistore che chiameremo R1.
Tensioni da 0 a +3.3 Volt, risoluzione 50 micro Volt (R1 = 10k - R0 non presente) Tensioni da 0 a +10 Volt, risoluzione 200 micro Volt (R1 = 100k - R0 = 33k) Tensioni da 0 a 100 Volt, risoluzione 2 milli Volt (R1 = 1 Mega - R0 = 33k) Tensioni da 0 a 1 KVolt, risoluzione 20 milli Volt (R1 = 100 Mega - R0 = 330k) Tensioni da 0 a 10 KVolt, risoluzione 200 milli Volt (R1 = 1000 Mega - R0 = 330k)
Accorgimenti per le alte tensioni: Per misurare tensioni superiori ai 100 Volt in tutta sicurezza il resistore R1 deve essere in grado di sopportare il doppio della tensione che si intende misurare. Piuttosto che un resistore unico è meglio usare una stringa composta da molti resistori in serie da 10 Mega o da 82 Mega (Farnell 1469973 / 2073866 / 9236503) In questo modo si spende molto meno che a comprare resistori per alta tensione e si ottiene maggiore sicurezza per via della lunghezza totale della stringa, che allontana fisicamente l’alta tensione e impedisce il verificarsi di scariche ad arco.
Per misurare alte tensioni si vedano anche i consigli della pagina: /blog/gamma-spectrometry/hardware-tests
La corrente è 1uA per la portata da 3.3 Volt, 100uA per le portate 10 e 100 Volt e 10uA per 1000 e 10000 Volt, se questa corrente è eccessiva allora è meglio usare il sensore differenziale del prossimo capitolo che lavora normalmente con correnti di 100nA e può essere adattato per lavorare anche con correnti minori.
————————–
Correnti riferite a massa possono essere misurate con due resistori e con un normale ingresso ADC. Dei connettori standard di InOut si usano solo i due pin estremi, Massa e Segnale, mentre il pin centrle che porta il +5 non viene collegato.
(+) ------@--- 10K ------ White(bianco)
| Theremino
Input voltage R1 --- Red(rosso) standard
| InOut Pin
(-) ------@-------------- Black(nero)
Tra l’ingresso (positivo) della corrente da misurare e la massa si collega un resistore che chiameremo R1, un secondo resistore da 10 K Ohm serve per limitare la corrente verso il Pin di InOut e lo protegge da ogni genere di errore.
Correnti da 0 a 100 uA, risoluzione 2 nA (R1 = 33k) Correnti da 0 a 1 mA, risoluzione 20 nA (R1 = 3300 ohm) Correnti da 0 a 10 mA, risoluzione 200 nA (R1 = 330 ohm) Correnti da 0 a 100 mA, risoluzione 2 uA (R1 = 33 ohm / 1 watt) Correnti da 0 a 1 A, risoluzione 20 uA (R1 = 3.3 ohm / 10 watt)
Con questi semplici circuiti quando si misura la massima corrente di ogni portata si ha una caduta di tensione di 3.3 Volt che può falsare alcuni tipi di misure, se questa caduta è eccessiva allora è meglio usare il sensore differenziale del prossimo capitolo, che ha normalmente una caduta inferiore ai 150mV e può essere adattato per cadute anche inferiori.
Sensori di Tensione e Corrente – Versione differenziale
Questo circuito e’ un “Jolly” in grado di misurare in modo differenziale tensioni e correnti piccolissime, o molto grandi, anche in presenza di enormi tensioni di modo comune di disturbo.
Collegare CN2 – OUT con un cavetto standard ad un Pin di InOut del sistema Theremino configurato come ADC (Adc16 per ottenere la massima precisione)
Con la sola sostituzione di R10 è possibile configurare questo circuito per i seguenti range di tensione (in presenza di tensioni di modo comune fino a +/- 33 Volt)
Tensioni da -15 mV a +15 mV con risoluzione di 0.5 micro volt (R10 = 1Mega) Tensioni da -150 mV a +150 mV con risoluzione di 5 micro volt (R10 = 100k) Tensioni da -1.5 Volt a +1.5 Volt con risoluzione di 50 micro volt (R10 = 10k) Tensioni da -15 Volt a +15 Volt con risoluzione di 500 micro volt (R10 = 1k)
Sostituendo R4, R5, R6 e R7 con resistori da 10 KOhm e i due trimmer da 470 Ohm è possibile configurare questo circuito per i seguenti range di tensione (in presenza di tensioni di modo comune fino a +/- 3300 Volt)
Tensioni da 1.5 Volt a +1.5 Volt con risoluzione di 50 micro Volt (R10 = 1Mega) Tensioni da -15 Volt a +15 Volt con risoluzione di 500 micro Volt (R10 = 100k) Tensioni da -150 Volt a +150 Volt con risoluzione di 5 milli Volt (R10 = 10k) Tensioni da -1500 V a +1500 V con risoluzione di 50 milli Volt (R10 = 1k)
Correnti NON riferite a massa possono essere misurate con un resistore di opportuno valore, a seconda del fondo scala desiderato.
Per la misura della corrente si parte dalla versione base (da -150mV a + 150mV con tutti i valori come da schema) e si aggiunge un resistore, che chiameremo R0, tra IN+ e IN-, secondo la tabella seguente:
Correnti da -1.5 mA a +1.5 mA con risoluzione di 50 nano Ampere (R0 = 100 Ohm) Correnti da -15 mA a +15 mA con risoluzione di 500 nano Ampere (R0 = 10 Ohm) Correnti da -150 mA a +150 mA con risoluzione di 5 micro Ampere (R0 = 1 Ohm) Correnti da -1.5A a +1.5 A con risoluzione di 50 micro Ampere (R0 = 0.1 Ohm)
Queste tabelle non mostrano tutte le possibili variazioni, si potrebbe ad esempio ridurre il valore di R1 e R2 a 1Mega e tutte le scale diventerebbero dieci volte più sensibili (a spese di una tolleranza alle tensioni di modo comune dieci volte minore)
Oppure si potrebbe aumentare il valore di R1 e R2 portandoli a 100 Mega oppure a 1 Giga con resistori esterni in serie per misurare, in tutta sicurezza, tensioni fino a +/- 15000 Volt in presenza di tensioni di modo comune altrettanto grandi.
Accorgimenti per le alte tensioni: In tutti i casi di tensioni di ingresso oltre i 150 Volt si deve fare attenzione che R1 e R2 devono sopportare la tensione massima. Sostituirle quindi con resistori esterni per alta tensione o composti da molti resistori in serie da 10 Mega o da 82 Mega (Farnell 1469973 / 2073866 / 9236503) In questo modo si spende molto meno che a comprare resistori per alta tensione e si ottiene maggiore sicurezza per via della lunghezza totale della stringa, che allontana fisicamente l’alta tensione e impedisce il verificarsi di scariche ad arco.
Aumentare il valore di R1 e R2 può servire anche per ridurre ulteriormente la corrente di ingresso che con i 10 Mega Ohm standard è 100 nA per ogni Volt misurato.
———————–
In questo file ZIP troverete il progetto completo di PCB in formato Eagle le immagini gli schemi, i piani di montaggio e le simulazioni LTSpice: Sensor_VoltMeter
Per le simulazioni LTSpice scaricare le librerie da qui: downloads/uncategorized (a fine pagina)
Sensori di Resistenza e Capacità
Resistenze da 0 a 50Kohm possono essere misurate con un normale ingresso Res_16Capacità piccolissime, nell’ordine del millesimo di pF possono essere misurate con gli slave CapSensor. Tenere conto che il sistema Theremino è fatto per misurare valori di resistenza e capacità che cambiano nel tempo e non per misurare i componenti del laboratorio per i quali è molto meglio usare un normale tester che ha molti vantaggi e che non necessita di taratura.
Sensori di Temperatura a termocoppia
Qualunque termocoppia può essere collegata a un pin standar di input del sistema Theremino attraverso il millivolmetro che si trova in questa pagina configurato con i valori seguenti: R1=100k / R2=100k / R10=1k
Qui si trovano ottime tabelle per le termocoppie: www.ni.com/white-paper/4231/en
E’ anche necessario compensare la temperatura del giunto freddo misurandola con uno dei sensori di temperatura ambiente del prossimo paragrafo.
Per collegare le termocoppie potrebbe anche essere utile anche un box di giunzione come il seguente: www.phidgets.com/products.php?category=6&product_id=3106_0
Limitatamente alle sole termocoppie di tipo K (le più usate) è possibile una soluzione semplicissima con gli AD597 – Farnell 1438419 – circa 4 Euro
Questi cip fanno internamente la compensazione del giunto freddo. Sono direttamente collegabili ai pin standard del sistema Theremino per misurare temperature da 0 a 330 gradi centigradi. Per misurare temperature da -200 a 1250 gradi centigradi basta usare un adeguato partitore in modo da riportare la tensione nel range da 0 a 3.3 Volt. Per le temperature negative il partitore deve comprendere anche un resistore verso il 3.3 Volt stabilizzato.
Sensori di Temperatura ambiente
Sensore LM35 – Farnell 1469236 – circa 2 Euro
Non richiede calibrazione e misura la temperatura ambiente entro +/-0.25 gradi centigradi e da -55 a +150 entro +/-0.75 gradi centigradi.
Sensore “501F” - Farnell 2191831 – circa 8 Euro
Non richiede calibrazione e misura la temperatura da -10 a 60 gradi con altissima precisione. Copio dal datasheet: “With an accuracy of ±0.1K in a range of 40K (e.g. 5°C to 45°C), the sensor is more accurate than a class F0.1 (DIN EN 60751) platinum sensor. Extended long wires (> 10m) will not influence the accuracy”
Questi sensori sono ambedue direttamente collegabili ai nostri connettori standard a tre fili ( GND /+5Volt / Segnale )
Adattatore 3.3 Volt
Alcuni sensori, i potenziometri ad esempio, funzionano meglio se li si alimenta con una tensione stabilizzata di 3.3 Volt, altri sensori, come i sensori magnetici e gli Accelerometri, necessitano di una tensione da 3.3 Volt ben stabilizzata. La tensione di 3.3 Volt è disponibile su tutti i moduli del sistema Theremino sul connettore ICSP.
Per ottenere il minimo rumore possibile, o per esigenze di cablaggio, la tensione di 5 Volt può essere abbassata a 3.3 Volt e stabilizzata con un adattatore.
Ecco un adattatore semplice, poco costoso e piccolissimo che può essere usato con i cavetti standard maschio-femmina. Una versione di questo adattatore, senza connettori, può essere saldata lungo il cavo e coperta con un tubetto di guaina termo-restringente ottenendo un cablaggio piccolo e robusto.
In genere i costruttori consigliano di posizionare il condensatore (e quindi tutto l’adattatore) in prossimità del sensore per cui è bene tenere la parte di filo tra adattatore e sensore non più lunga di qualche centimetro. Per alcuni sensori viene consigliato un condensatore piuttosto alto ( 10 uF ) in questo caso si potrebbe aumentare il C2 (usare sempre condensatori SMD ceramici che costano molto meno degli elettrolitici, hanno una bassa impedenza e sono molto piccoli – 0805 o 0603 ) In tutte le nostre prove, anche con i sensori più esigenti, abbiamo verificato che il C2 da 1 uF è sufficiente, perché aiutato dal regolatore che stabilizza bene la tensione anche a frequenze medio-alte. Il C1 si può sicuramente ridurre a 100 nF e probabilmente lo ridurremo nelle prossime versioni per diminuire la capacità totale sulla linea USB che è data per un massimo di 4.7 uF
Sensori di precisione
I Pin del sistema Theremino forniscono misure con una risoluzione altissima, fino a una parte su 50000, molto superiore alla risoluzione di un normale tester, inoltre il valore letto è molto stabile, poco rumoroso e la velocità di campionamento è molto superiore a quella di un tester. In compenso però la precisione delle misure è più scarsa. Con i sensori mostrati in questo documento, connessi ai pin standard di Input-Output, la precisione raggiungibile è dell’ordine dell’uno per cento, precisione che può essere spinta fino allo 0.1% o poco più, con una laboriosa taratura individuale. Per superare questi limiti si devono usare “Slave” specifici con i quali è possibile misurare ogni grandezza fisica con qualunque precisione realizzabile dalla tecnologia attuale. Stiamo sviluppando uno “slave” che consentirà di misurare la temperatura di due sensori pt100 al platino con risoluzione di un centesimo di grado centigrado. Altri “Slaves” potranno essere sviluppati dagli utenti che saranno facilitati in questo dalla modularità del sistema Theremino e dalla possibilità di comunicare i dati in modo digitale che permette di effettuare misure con la massima precisione possibile senza poi limitarla o degradarla a causa dei collegamenti.