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(Parte Seconda)
Le grandezze fisiche da rilevare nei processi industriali sono di varia
natura; generalmente queste quantità sono difficili da trasmettere ed
elaborare nella forma originaria. L'obiettivo di un sensore è quello di
convertire una grandezza fisica o biologica in ingresso, in un'altra più
facile da manipolare di tipo elettrico (tensione, corrente, resistenza,
capacità). In pratica un sensore prende in ingresso un valore nella
grandezza fisica del dominio di interesse e fornisce in uscita una
grandezza fisica nel dominio dell'unità di controllo.
I sensori hanno diverse caratteristiche che li differenziano: una di queste
è l'ordine di grandezza della misura fornita in uscita; si parla allora di
sensori attivi e passivi. I primi richiedono potenza dall'esterno per
fornire la misura in uscita e solitamente hanno un sistema di
amplificazione a valle di essi; i secondi invece non richiedono potenza
esterna e forniscono un segnale immediatamente utilizzabile.
Un'altra caratterizzazione dei sensori può essere fatta in base alle
caratteristiche matematiche dell'uscita: se tutta l'informazione viene
acquisita e processata, allora si parla di sensori ad uscita continua,
altrimenti, se in uscita viene passato un segnale campionato allora si
parla di sensori ad uscita logica.
I sensori sono costituiti da una catena di quattro elementi: il rilevatore,
il trasduttore, il sistema di acquisizione e il sistema di elaborazione. Il
rilevatore è l'organo che ha il compito di misurare la grandezza di
interesse; una volta rilevato il segnale questo deve essere trasmesso al
sistema di controllo tramite un trasduttore, che realizza la trasmissione
dei dati. Poiché la grandezza misurata può essere analogica o digitale, il
sistema di acquisizione provvede a trasformare i segnali per renderli
compatibili con l'unità di controllo. Se il segnale è analogico, realizza
la trasformazione A/D ed invia il segnale campionato al sistema di
elaborazione che aggiunge l'informazione necessaria, affinché la codifica
in bit sia significativa per il controllore.
Vi sono diverse categorie di sensori e diverse classificazioni sono
possibili; un sensore viene infatti classificato in base al principio
fisico, che può essere ottico, meccanico, pneumatico o elettrico; questa
classificazione è molto usata dai progettisti poiché fornisce una visione
integrata dei processi usati nella realizzazione.
Un'altra classificazione si può avere considerando la grandezza da
misurare: lunghezza, pressione, temperatura, vibrazione ecc. Questa è
adatta per la presentazione del sensore agli utenti dato che
evidenzia il fine per cui è stato realizzato il dispositivo. Infine è
possibile una classificazione in base al settore operativo che permette di
comprendere a quale uso si presti un determinato sensore.
I parametri fondamentali di un sensore sono la sensibilità, che viene
ottenuta dal rapporto tra una variazione del segnale di uscita al
trasduttore e la corrispondente variazione dell'ingresso, la risoluzione,
ovvero la più piccola quantità che può essere misurata, la taratura, che
consiste nella misurazione dell'uscita a partire da valori noti degli
ingressi, il tempo di risposta, cioè il tempo impiegato per andare a
regime e la vita utile, che indica il tempo per cui il sensore opera senza
modificare le sue prestazioni. E' molto importante anche avere stabilità,
accuratezza e affidabilità, per avere un sensore che mantiene inalterate le
sue caratteristiche nel tempo.
Il modo di operare di un sensore è strettamente legato alla grandezza
fisica che esso deve misurare. Di conseguenza una loro classificazione
generale si basa sui principi fisici che realizzano la conversione da una
forma ad un'altra. Noi ci occuperemo della misura di grandezze chimiche al
fine di convertirle in misure elettriche. I sensori chimici sono progettati
con questo scopo e permettono di ottenere informazioni reagendo alla
presenza di determinate sostanze. In alcuni casi questi sono montati su
robot in grado di fare le rilevazioni in modo autonomo e cooperativo,
specie se l'ambiente in cui si vuole operare risulta nocivo per l'essere
umano.
GENERALITA' DEI SENSORI CHIMICI:
Come detto questo tipo di sensori consente di convertire grandezze chimiche
in grandezze meglio trattabili, come sono quelle elettriche. I sensori
chimici si possono classificare in base all'applicazione considerata in:
sensori chimici per sostanze volatili, per il controllo dei liquidi e
sensori a DNA, per il riconoscimento di molecole di acidi nucleici (DNA,
RNA, PNA). Possono essere impiegati per il rilevamento delle sostanze
inquinanti o per il riconoscimento di particolari gas, per il controllo
delle sostanze disciolte nelle acque minerali e marine e per rivelare
mutazioni genetiche nei microrganismi. Questo genere di sensori deve poter
riconoscere un singolo composto all'interno di un mezzo complesso, deve
avere un tempo di analisi sufficientemente breve ed elevata affidabilità,
inoltre deve dipendere in modo minimo da variazioni di umidità e di
temperatura e deve essere di dimensioni ridotte.
SENSORI CHIMICI MONTATI SU ROBOTS:
Un caso di studio atto a soddisfare questi requisiti è un robot progettato
dal prof. Andrew Russel della Monash University in Australia, basato sul
riconoscimento di un oggetto a partire da informazioni olfattive. Per
ideare questo robot si è partiti dalla considerazione che certe categorie
di animali, come ad esempio gli insetti, marcano il loro territorio con
tracce di sostanze chimiche riconoscibili dai propri simili che percorrono
lo stesso tragitto. Questo meccanismo è stato usato per costruire un robot
miniaturizzato equipaggiato con un sensore che riconoscesse le tracce di un
odore prestabilito lasciate sul terreno. L'applicazione di questo prototipo
vuole essere quella di eseguire dei compiti di riconoscimento dell'odore
di una certa sostanza, che solitamente vengono assegnati a segugi e cani da
fiuto, come per esempio la localizzazione di sostanze stupefacenti o fughe
di gas e il ritrovamento di mine e bombe inesplose o di superstiti di
calamità naturali.
Gli studi del prof. Russel, iniziati già nel 1995, sono ancora oggi in
pieno sviluppo a causa della difficoltà nel riconoscimento di determinati
odori dovuta sia alla elevata precisione richiesta ai sensori, sia alla
necessità di eseguire gli esperimenti in ambienti strutturati e densi di
ostacoli. Per questo motivo i robot progettati per questi compiti sono
equipaggiati con un sensore che eviti le collisioni frontali e con un
sonar per la misurazione della distanza, oltre che con un sensore olfattivo
e un rilevatore degli spostamenti d'aria.
Un' equipe di scienziati guidati da Achim Lilienthal della University of
Tuebingen, in Germania, si è occupata di ricerche analoghe, concentrandosi
sul riconoscimento di una sorgente emanante un certo odore in ambienti
chiusi. Il risultato è stato presentato alla conferenza internazionale di
Robotica e Automazione nel Maggio 2001 ed è un robot mobile chiamato
ARTHUR, equipaggiato con una serie di sensori olfattivi. Scopo di ARTHUR è
quello di rilevare una sorgente di gas non solo in condizioni ottimali, ma
in ambienti complessi e densi di ostacoli. Per questo esperimento, si è
dato più peso al rilevamento della sostanza gassosa che al riconoscimento
preciso della sostanza stessa; infatti i disturbi dovuti alla mobilità
della piattaforma su cui è inserito il sensore, rende difficile il
riconoscimento preciso dell'elemento in esame. Ciononostante, avere un
robot mobile dà la possibilità di localizzare la sorgente di gas, cosa
impossibile per un sensore immobile. L'importante risultato a cui ha
condotto l'esperimento è stato quello di poter riconoscere una sorgente a
debole emissione; questo è stato ottenuto facendo esplorare al robot
l'ambiente in esame con una velocità costante che va dai 5 ai 20 cm/s. Il
riconoscimento della sorgente era basato sul fatto che il sensore
olfattivo usato presentava dei picchi di concentrazione quando il robot
passava nei pressi della sorgente. Con un ambiente scarsamente riempito da
oggetti, i migliori risultati sono stati ottenuti facendo procedere il
robot lungo linee dritte durante l'esplorazione.
I sensori chimici trovano una loro applicazione anche nei robot umanoidi;
questi robot, infatti, non sono dotati solamente di dispositivi per
applicazioni ad hoc, ma coinvolgono diverse categorie di sensori (visivi,
tattili, chimici e uditivi) per ottenere un buon modello del mondo che li
circonda. Un robot di questo tipo è WE-3RV, ideato da Hiroyasu Miwa, Atsuo
Takanishi e Hideaki Takanobu. WE-3RV è stato presentato durante l'
International Conference on Intelligent Robots and Systems del 2001 ed è
stato progettato per interagire con l'essere umano e per percepire i
cambiamenti nell'ambiente circostante. Per questo motivo è dotato di due
telecamere digitali montate negli occhi, di due microfoni per percepire i
suoni, di sensori cutanei e olfattivi per analizzare se nell'aria sono
presenti alcuni tipi di sostanze; al momento attuale WE-3RV è in grado di
riconoscere tre odori diversi: ammoniaca, alcool e fumo di sigaretta. Le
informazioni provenienti dai sensori vengono assemblate e rielaborate da
due pc collegati al robot mediante un sistema Ethernet; il robot, a
partire dalle informazioni sensoriali, può modificare l'espressione
facciale e interagire con un eventuale interlocutore. La progettazione di
questo robot si è sviluppata per passi successivi a partire dal 1995 con WE-
2 ed ha portato all'ultima versione che comprende un miglioramento delle
espressioni facciali, un modello psicologico, un sensore olfattivo e la
definizione di nuove personalità.
SENSORI CHIMICI STATICI: il naso elettronico
Non tutti i sensori olfattivi però sono necessariamente montati su robot;
in molti casi l'elemento da analizzare, può essere sottoposto direttamente
al sensore per l'analisi. Un'applicazione di questo tipo è il naso
elettronico. Il naso elettronico può essere definito come uno strumento che
comprende una serie di sensori chimici con un appropriato modello di
riconoscimento, in grado di identificare odori semplici e complessi. Esso
si basa sull'emulazione del sistema olfattivo umano, in quanto la
sensibilità dei sensori di cui è costituito è simile a quella dei recettori
olfattivi umani. Il sistema di elaborazione dei dati è analogo al
processo che accade nel bulbo olfattivo e la classificazione finale è
eseguita da una rete neurale o da un tipo di analisi statistica che ricalca
i meccanismi di identificazione del cervello. Il naso artificiale necessita
anche di una prima fase di apprendimento in cui associa i risultati
ottenuti alle categorie di riferimento.
I nasi elettronici fin'ora prodotti possono essere classificati in tre
categorie a seconda dell'approccio progettuale e in base ai sensori su cui
si appoggia: sensori a ossidi di metalli semiconduttori, sensori a polimeri
organici conduttori e sensori piezoelettrici.
Il principio di funzionamento dei primi due tipi di sensori si basa sul
trasferimento di elettroni tra la superficie di un semiconduttore e le
molecole di gas assorbite. Il trasferimento di carica si traduce in un
cambiamento delle cariche superficiali del semiconduttore, misurabile come
un cambiamento di conducibilità. Il funzionamento del terzo si basa sulla
diminuzione di frequenza d'oscillazione di cristalli piezoelettrici in
funzione dell'aumento di massa, dovuto all'assorbimento delle molecole del
gas in esame sullo strato sensibile del sensore.
La NASA e il California Institute of Technology hanno messo a punto un naso
artificiale denominato ENose (Electronic Nose), in grado di identificare
determinati componenti presenti nell'aria. La necessità di misurare la
composizione dell'aria è particolarmente importante in ambienti chiusi
quali lo Space Shuttle o la International Space Station. Il primo test
dell' ENose è stato infatti effettuato nel 1999 a bordo dello Space Shuttle
con l'astronauta John Glenn, per testare la qualità dell'aria durante il
volo. L'utilizzo di ENose però non si limita ad applicazioni aerospaziali;
infatti è possibile impiegarlo in tutte quelle applicazioni in cui si
devono esaminare componenti volatili e rilevare odori di certe sostanze
come nei controlli di qualità, nell'analisi del cibo (aroma del caffè) e
negli ambienti industriali per evitare la presenza di sostanze tossiche
nell'aria.
Il naso artificiale contiene un gran numero di sensori, i quali non sono
specifici per una determinata sostanza ma rispondono a cambiamenti nella
composizione dell'aria. I sensori di ENose sono
fatti da 16 strati di polimeri. Ogni strato è addizionato con particelle di
carbonio che lo rendono elettricamente conduttivo. I polimeri si dilatano e
si restringono a seconda del cambiamento della composizione dell'aria
esaminata; queste alterazioni negli strati polimerici si traducono in un
cambiamento nella resistenza elettrica dello strato stesso. ENose misura i
cambiamenti resistivi e determina la natura della sostanza in esame. La
portabilità dell'applicazione è ottenuta grazie alla generalità dei
sensori utilizzati nella realizzazione del dispositivo. Il riconoscimento
infatti si basa su esempi rilevati in laboratorio che vengono confrontati
con la miscela di gas che si vuole classificare. La rilevanza del progetto
ENose è dovuta al fatto che sia in grado di riconoscere una quantità di
gas, minore di una soglia detta SMAC (Spacecraft Maximum Allowable
Concentration), misurata in parti per milione e fissata dai tossicologi
della NASA, per garantire la qualità dell'aria nelle missioni spaziali.
La NASA e il California Institute of Technology non sono stati gli unici
enti ad occuparsi della progettazione di un dispositivo olfattivo di
precisione. Il prof. David Walt della Tufts University e il suo staff hanno
messo a punto, già nel 1997, un altro tipo di naso elettronico ma adatto
alle medesime applicazioni. Inserti fluorescenti sono stati incorporati in
strati polimerici di diversa natura fisica e chimica, in modo da formare
un unico strato di sensori. Questi reagiscono al contatto con il gas
mediante variazioni luminose e inviando dei segnali ad un sistema basato su
reti neurali mediante dei sensori ottici ed una camera digitale. Il sistema
è in grado di classificare correttamente 40 diverse sostanze tra cui
complesse miscele. Il prof. Walt afferma che applicazioni commerciali
basate su questo prototipo di naso elettronico saranno possibili tra breve.
Anche in questo caso il corretto riconoscimento della sostanza in esame è
ottenuto grazie ad una serie di esempi con cui è stato allenato il sistema
di reti neurali per i riconoscimenti successivi.
CONCLUSIONI: l'importanza dei dati:
In questo tipo di dispositivi, il periodo di classificazione di sostanze
semplici e note a priori è fondamentale per formare una solida base di
conoscenza atta a riconoscere correttamente i nuovi casi in esame, sia che
venga ottenuta con sistemi intelligenti come le reti neurali o gli
algoritmi di decisione che con un sistema di basi di dati. Oltre a ciò è
stato fondamentale progettare sensori innovativi in grado di tradurre
informazioni visive e reazioni chimiche in informazioni oggettive
comprensibili da un elaboratore per poterle immagazzinare e riutilizzare
successivamente per nuove classificazioni.