Elettrotecnica - i trasduttori

Il Trasduttore legge la grandezza che si vuole misurare e la converte in un segnale elettrico; mentre

l'Acquisitore legge il segnale elettrico proveniente dal trasduttore e provvede a registrarla.

Di solito però tali sistemi sono composti da più apparecchiature: si ha così un circuito di

Condizionamento del Segnale, che ha il compito di adattare il segnale prodotto dal trasduttore alle

caratteristiche delle apparecchiature che lo seguono; e il Convertitore Analogico – Digitale, che

trasforma il valore della tensione in ingresso (ricevuta dal circuito di condizionamento) in un

numero corrispondente in codice binario. Infine questi dati possono essere elaborati da un

Microprocessore, che provvede a farne l'uso desiderato, come immagazzinarli in memoria.

Questo tipo di sistema prevede solo l'acquisizione dei dati, quindi con il Microprocessore la catena

si interrompe; nel caso in cui, in base ai valori acquisiti, il sistema debba agire sul mondo esterno è

necessaria un'altra serie di apparecchiature che partendo dai codici binari effettuerà l'opportuna

elaborazione per controllare un attuatore. 2. Trasduttori

Si definisce Trasduttore un dispositivo in grado non solo di rilevare il valore di una grandezza fisica

ed elaborarlo, ma anche di trasmetterlo ad una qualsiasi componente del sistema al quale è collegato

utilizzando una grandezza di natura diversa da quella in esame.

In parole povere, come ho già detto prima, un trasduttore è un dispositivo che rileva una grandezza

fisica reale, come una temperatura, una pressione , uno spostamento, ecc..e in funzione ad essa

fornisce una grandezza elettrica (tensione o corrente).

Possiamo definire i trasduttori quindi come le “terminazioni nervose” di un sistema di acquisizione,

che risultano necessari per rilevare i valori assunti da una grandezza fisica nel tempo.

I trasduttori trovano impiego sopratutto nel campo dell'automazione industriale nei processi

produttivi e di controllo.

Il segnale in cui viene convertita la grandezza fisica da controllare può essere:

digitale: se assume un numero finito di valori distanziati da intervalli o, al limite, solo due

– valori, uno minimo e uno massimo (on/off);

analogico: se assume in un dato intervallo numero infinito di valori, variabili con continuità

– da un valore minimo a un valore massimo in proporzione alla variazione della

grandezza controllata.

Una distinzione che va fatta parlando di trasduttori è quella tra questi ultimi e i Sensori.

I due termini vengono spesso utilizzati come sinonimo anche in ambito tecnico; in realtà esiste una

differenza tra i due dispositivi: il Trasduttore è il dispositivo nel suo complesso che effettua la

trasformazione; il Sensore è invece l'elemento sensibile del trasduttore che converte la grandezza

fisica misurata entrante in un'altra grandezza fisica in uscita acquisibile per via elettrica (capacità e

resistenza). 3. Classificazione dei Trasduttori

I trasduttori vengono classificati seguendo veri criteri, tutti molto validi.

Una prima classificazione è quella già citata, ossia in funzione del tipo di segnale prodotto.

Abbiamo quindi trasduttori Analogici e trasduttori Digitali.

Un altro criterio è il modo con il quale viene prodotta la potenza del segnale in uscita, ossia:

attivi: non necessitano di alcuna alimentazione in quanto l'energia del segnale di uscita è

– ricavata direttamente dal segnale in ingresso;

passivi: necessitano di alimentazione con una sorgente dello stesso tipo del segnale d'uscita.

–

Un terzo criterio è in base al tipo di grandezza misurata, quindi:

termici (ad es. temperatura)

– meccanici (ad es. pressione)

– elettrici (ad es. corrente)

– magnetici (ad es. intensità di campo B)

– ecc..

–

Infine vengono suddivisi in:

primari o fondamentali;

– secondari (che dipendono dai primari).

–

Nei trasduttori primari la grandezza di ingresso viene trasformata direttamente nella grandezza di

uscita. Nei secondari, invece, il processo avviene in modo indiretto: la grandezza di ingresso viene

convertita in una grandezza intermedia e quest'ultima viene convertita nella grandezza di uscita.

3.1 Parametri dei Trasduttori

Per scegliere e utilizzare i trasduttori vengono individuati alcuni parametri che consentono di

valutare le prestazioni dei vari dispositivi.

Alcune caratteristiche principali sono:

Caratteristica o Funzione di Trasferimento: è la relazione che lega la grandezza fisica di

– ingresso con la grandezza elettrica di uscita, espressa o in forma grafica o come funzione

matematica;

Linearità: è un indice che identifica quanto il trasduttore segue la propria retta ideale di

– calibrazione. Da qui si scopre l’errore di non linearità, cioè di quanto la retta reale si discosta

da quella ideale;

Risoluzione: è la misura della minima variazione rilevabile. Si definisce Banda morta il

– valore minimo di cui deve variare la grandezza di ingresso perché l'uscita sia diversa;

Range di misura o Campo di lavoro: rappresenta l’intervallo di misura entro il quale il

– trasduttore può lavorare correttamente. Se il dispositivo esce dal range di misura, può smette

di funzionare oppure funzionare ma con forti errori di non linearità.

Tempo di Transazione: indica la velocità con cui il trasduttore risponde ad un segnale

– applicato in ingresso.

Sensibilità: è definita come il rapporto tra la variazione della grandezza in uscita e la

– grandezza rilevata in ingresso. S= ΔO/ΔI

Un buon trasduttore deve avere una bassa risoluzione, ma deve avere una grande sensibilità: quindi

ad una piccola variazione in ingresso deve corrispondere una grande variazione all'uscita.

4. Trasduttori di temperatura

Il controllo della temperatura viene effettuato, in ambito industriale, con le Termocoppie, con le

Termoresistenze e con i Termistori.

4.1 Termocoppia

E' un trasduttore di temperatura con uscita in tensione, il cui funzionamento è basato sull'effetto

termoelettrico oeffetto Seebek:

-due fili realizzati con conduttori diversi vengono connessi ad un'estremità e posti alla

temperatura da misurare (giunto caldo)

-gli altri due estremi vengono lasciati aperti e mantenuti ad una temperatura nota (giunto freddo)

-se i due giunti si trovano a temperature differenti, fra le estremità del giunto freddo nasce una

differenza di potenziale il cui valore dipende dalla differenza delle temperature (T -T ) e dalla

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coppia di conduttori utilizzati.

4.2 Termoresistenze

Le termoresistenze (RTD: Resistance Temperature Detector) sono costituite da conduttori metallici

(platino, nichel,ferro-nichel, rame) che all'aumentare della temperatura aumentano la loro

resistenza. Le termoresistenze presentano una bassa sensibilità, in compenso possiedono una buona

linearità all'interno di un campo di temperature piuttosto vasto (ad esempio per il platino va -200° C

a +800° C).

4.3 Termistori

I termistori sono costituiti da silicio drogato oppure ossidi ceramici sinterizzati e drogati con metalli

i quali, al variare della temperatura, presentano un comportamento simile a quello dei

semiconduttori.

Rispetto alle termoresistenze offrono una maggiore sensibilità, ma il campo di lavoro è molto più

ridotto, con un andamento non lineare della caratteristica. I procedimenti tecnologici consentono di

ottenere coefficienti di temperatura negativi (NTC) o positivi (PTC).

5. Trasduttori di deformazione, forza e pressione

Gli estensimetri a filo sono basati sull'aumento della resistenza di un filo conduttore soggetto a

trazione secondo la relazione: R=ρ (l/S)

che fornisce il valore della resistenza R di un conduttore avente resistività ρ, lunghezza l e sezione

S; si deduce che l'allungamento e l'assottigliamento del filo, causati dalla trazione, provocano un

aumento della sua resistenza. Il filo, realizzato con un sottile film metallico su un supporto elastico,

viene disposto a serpentina per aumentare la sensibilità dell'estensimetro.

5. Trasduttori di Posizione