Tipi di Trasduttore

Trasduttori: Definizione, Funzioni e Classificazione

Un trasduttore è un dispositivo elettronico che svolge un ruolo cruciale nella conversione di quantità fisiche in segnali elettrici. Svolge due funzioni fondamentali: la rilevazione e la trasduzione. In primo luogo, rileva la quantità fisica di interesse, come temperatura, pressione o spostamento. Quindi, trasforma questa quantità fisica in lavoro meccanico o, più comunemente, in un segnale elettrico che può essere facilmente misurato, elaborato e analizzato.

I trasduttori esistono in una vasta varietà di tipi e possono essere categorizzati in base a diversi criteri distinti:

• In base al Meccanismo di Trasduzione Utilizzato: Questa classificazione si concentra sui specifici processi fisici o chimici attraverso i quali il trasduttore converte la quantità fisica di input in un output elettrico. Diversi meccanismi di trasduzione sono adattati a diversi tipi di misurazioni e applicazioni, consentendo una sensazione precisa e affidabile su un ampio spettro di fenomeni fisici.

• Come Trasduttori Primari e Secondari: Un trasduttore primario converte direttamente la quantità fisica misurata in un segnale elettrico. In contrasto, un trasduttore secondario lavora in combinazione con un trasduttore primario, modificando ulteriormente o elaborando il segnale elettrico generato dal dispositivo primario per migliorarne l'utilità o l'accuratezza.

• Come Trasduttori Passivi e Attivi: I trasduttori passivi dipendono da una fonte di alimentazione esterna per funzionare e producono un segnale di output che è una funzione della quantità fisica di input e della potenza applicata. I trasduttori attivi, d'altra parte, contengono la propria fonte di alimentazione e possono generare un segnale di output senza la necessità di un'energia esterna, offrendo spesso una maggiore sensibilità e forza del segnale.

• Come Trasduttori Analogici e Digitali: I trasduttori analogici producono un segnale di output che varia in modo continuo con la quantità fisica di input, solitamente sotto forma di tensione o corrente. I trasduttori digitali, invece, convertono la quantità di input in un segnale digitale discreto, che è più facile da elaborare, memorizzare e trasmettere utilizzando sistemi elettronici e di calcolo digitali moderni.

• Come Trasduttori e Trasduttori Inversi: Un trasduttore standard converte una quantità fisica in un segnale elettrico. Un trasduttore inverso, viceversa, prende un segnale elettrico come input e lo converte nuovamente in una quantità fisica, effettivamente invertendo il processo di un tradizionale trasduttore. Questo concetto è utile nelle applicazioni in cui è richiesto un controllo elettrico per generare una risposta fisica specifica.

In funzione, un trasduttore riceve il misurando - la quantità fisica misurata - e produce un segnale di output proporzionale alla magnitudine dell'input. Questo segnale di output viene quindi trasmesso a un dispositivo di condizionamento del segnale. Qui, il segnale subisce una serie di processi, inclusi l'attenuazione (regolazione dell'ampiezza del segnale), il filtraggio (rimozione del rumore indesiderato o delle frequenze) e la modulazione (codifica del segnale per una migliore trasmissione o elaborazione). Questi passaggi assicurano che il segnale finale sia in una forma ottimale per le operazioni di analisi, visualizzazione o controllo successive.

La quantità di input di un trasduttore è tipicamente una quantità non elettrica, mentre il segnale elettrico di output può essere sotto forma di corrente, tensione o frequenza.

1. Classificazione in base al Principio di Trasduzione

I trasduttori possono essere classificati in base al mezzo di trasduzione che utilizzano. Il mezzo di trasduzione può essere resistivo, induttivo o capacitivo. Questa classificazione è determinata dal processo di conversione attraverso il quale il trasduttore di input trasforma il segnale di input in resistenza, induttanza o capacità rispettivamente. Ogni tipo di mezzo di trasduzione ha le proprie caratteristiche uniche ed è adatto a diverse applicazioni di misurazione, consentendo la conversione accurata di varie quantità fisiche in segnali elettrici.

2. Trasduttori Primari e Secondari

• Trasduttore Primario
  Un trasduttore spesso comprende componenti meccanici ed elettrici. La parte meccanica del trasduttore è responsabile della conversione delle quantità fisiche di input in un segnale meccanico. Questo componente meccanico è chiamato trasduttore primario. Agisce come elemento di sensazione iniziale, interagendo direttamente con la quantità fisica misurata, come pressione, temperatura o spostamento, e convertendola in una forma meccanica che può essere ulteriormente elaborata.

• Trasduttore Secondario
  Il trasduttore secondario prende il segnale meccanico generato dal trasduttore primario e lo converte in un segnale elettrico. La magnitudine del segnale elettrico di output è direttamente correlata alle caratteristiche del segnale meccanico di input. In questo modo, il trasduttore secondario collega il dominio meccanico a quello elettrico, rendendo possibile misurare e analizzare la quantità fisica originale utilizzando tecniche di misurazione e di elaborazione elettriche.

Esempio di Trasduttori Primari e Secondari

Prendiamo come esempio il Tubo di Bourdon, illustrato nella figura sottostante. Il Tubo di Bourdon funziona come un trasduttore primario. È progettato per rilevare la pressione e convertirla in uno spostamento all'estremità libera. Quando la pressione viene applicata al tubo, la sua forma si deforma, causando lo spostamento dell'estremità libera. Questo spostamento agisce quindi come input per la fase successiva del sistema.

Lo spostamento dell'estremità libera del Tubo di Bourdon causa lo spostamento del nucleo di un Linear Variable Displacement Transformer (LVDT). Mentre il nucleo si muove all'interno dell'LVDT, induce una tensione di output. Questa tensione indotta è direttamente proporzionale allo spostamento dell'estremità libera del tubo, e di conseguenza, alla pressione originale applicata al Tubo di Bourdon.

Nel caso del sistema Tubo di Bourdon - LVDT, avvengono due processi di trasduzione distinti. Prima, la trasduzione primaria avviene quando il Tubo di Bourdon converte la pressione in spostamento. Poi, la trasduzione secondaria avviene quando l'LVDT converte questo spostamento in un segnale di tensione elettrica. Questo esempio dimostra chiaramente come i trasduttori primari e secondari lavorino insieme per misurare e convertire accuratamente una quantità fisica in un segnale di output elettrico per ulteriori analisi e utilizzi.

Il Tubo di Bourdon funge da trasduttore primario, mentre l'L.V.D.T. (Linear Variable Displacement Transformer) funge da trasduttore secondario.

3. Trasduttori Passivi e Attivi

I trasduttori possono anche essere categorizzati in attivi e passivi, ciascuno con caratteristiche operative distinte.

Trasduttori Passivi

Un trasduttore passivo è uno che dipende da una fonte di alimentazione esterna per funzionare, motivo per cui è anche noto come trasduttore alimentato esternamente. Esempi tipici di trasduttori passivi includono quelli capacitivi, resistivi e induttivi. Questi trasduttori funzionano modificando una proprietà elettrica (come resistenza, capacità o induttanza) in risposta alla quantità fisica di input. Tuttavia, non generano la propria energia elettrica; invece, richiedono una fonte di alimentazione esterna per produrre un segnale di output misurabile che riflette il cambiamento nella quantità fisica misurata.

Trasduttori Attivi

In contrasto, un trasduttore attivo non necessita di una fonte di alimentazione esterna per funzionare. Questi trasduttori sono auto-generanti, il che significa che possono produrre la propria tensione o corrente di output. Il segnale di output di un trasduttore attivo è derivato direttamente dalla quantità fisica di input. I trasduttori attivi sono in grado di convertire vari fenomeni fisici, come velocità, temperatura, forza e intensità luminosa, in segnali elettrici senza fare affidamento su un'energia esterna. Esempi di trasduttori attivi includono cristalli piezoelettrici, celle fotovoltaiche, tachogeneratori e termocoppie.

Esempio: Cristallo Piezoelettrico

Per illustrare il funzionamento di un trasduttore attivo, consideriamo un cristallo piezoelettrico. Un cristallo piezoelettrico è solitamente inserito tra due elettrodi metallici, e l'intero assemblaggio è saldamente fissato a una base. Viene poi posizionata una massa sopra questa struttura sovrapposta.

I cristalli piezoelettrici possiedono una proprietà unica: quando una forza viene applicata a essi, generano una tensione elettrica. Nella configurazione descritta, la base può sperimentare un'accelerazione, che causa alla massa di esercitare una forza sul cristallo. Questa forza, a sua volta, induce una tensione di output attraverso il cristallo. La magnitudine di questa tensione di output è direttamente proporzionale all'accelerazione sperimentata dalla base, convertendo efficacemente l'accelerazione meccanica in un segnale elettrico. Questo esempio dimostra chiaramente come i trasduttori attivi possano generare autonomamente segnali elettrici basati su input fisici, evidenziando la loro funzionalità distinta rispetto ai trasduttori passivi.

Il trasduttore menzionato sopra è noto come accelerometro, progettato per convertire l'accelerazione in una tensione elettrica. Nota bene, questo tipo di trasduttore opera senza la necessità di alcuna fonte di alimentazione ausiliaria durante la conversione della quantità fisica in un segnale elettrico, mettendo in evidenza la sua natura autosufficiente nella generazione dei segnali.

4. Trasduttori Analogici e Digitali

I trasduttori possono anche essere categorizzati in base alla natura dei loro segnali di output, che possono essere continui o discreti.

Trasduttori Analogici

Un trasduttore analogico trasforma la quantità di input in una funzione continua. Ciò significa che il segnale di output varia in modo fluido e continuo in risposta ai cambiamenti dell'input. Esempi di trasduttori analogici includono gage di deformazione, Linear Variable Displacement Transformers (LVDTs), termocoppie e termistori. Questi dispositivi sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni in cui è richiesta una rappresentazione proporzionale e continua della quantità fisica misurata, come nei sistemi di misurazione di precisione e nel controllo di processi industriali.

Trasduttori Digitali

I trasduttori digitali, d'altra parte, convertono la quantità di input in un segnale digitale, solitamente sotto forma di impulsi. I segnali digitali operano in base a stati binari, rappresentando informazioni come livelli di potenza "alto" o "basso". Questo formato di output digitale offre numerosi vantaggi, inclusa una maggiore immunità al rumore, una più facile integrazione con elettronica e sistemi di calcolo digitali, e una più semplice elaborazione e memorizzazione dei dati. I trasduttori digitali stanno venendo sempre più adottati in sistemi di misurazione e controllo moderni a causa della prevalenza delle tecnologie digitali.

5. Trasduttori e Trasduttori Inversi

Trasduttori

Un trasduttore è definito come un dispositivo che converte quantità non elettriche in quantità elettriche. Questo processo di conversione consente la misurazione, il monitoraggio e il controllo di vari fenomeni fisici, come temperatura, pressione, spostamento e forza, utilizzando tecniche di misurazione e di elaborazione elettriche. I trasduttori svolgono un ruolo cruciale in una vasta gamma di applicazioni, dall'automazione industriale alla ricerca scientifica e agli elettronici consumer.

Trasduttori Inversi

I trasduttori inversi svolgono la funzione opposta dei tradizionali trasduttori. Essi convertono le quantità elettriche nuovamente in quantità fisiche. Questi trasduttori hanno tipicamente un alto input elettrico e un corrispondente basso output non elettrico. I trasduttori inversi sono utilizzati in applicazioni in cui i segnali elettrici devono essere tradotti in azioni o risposte fisiche, come in certi tipi di attuatori e sistemi di controllo. Il concetto di trasduttori inversi fornisce un modo per chiudere il loop tra controllo elettrico e operazione fisica, facilitando un controllo più complesso e preciso di sistemi meccanici e fisici.