21A (era 23A) - Trasduttori e condizionamento dei segnali parte prima

Molti degli argomenti trattati nell'unità 21 sono affrontati anche nel corso di Tecnologia e Progettazione di Sistemi Elettrici ed Elettronici. Alcuni argomenti già svolti in tale corso saranno solo accennati.

Nelle applicazioni dell'elettronica è necessario misurare delle grandezze fisiche per monitorare i processi, memorizzarne l'andamento o intervenire su di essi. Per far questo occorre acquisire ed elaborare dei segnali che rappresentano tali grandezze; la fase dell'elaborazione è sempre più spesso affidata a dispositivi elettronici digitali (microcontrollore, PLC) e per fare questo si rende necessario convertire i segnali da analogico a digitale e viceversa.

La figura 1 mostra lo schema a blocchi di un sistema di acquisizione dati:

• la grandezza - spesso non elettrica e tipicamente analogica - viene trasformata in una grandezza elettrica - un segnale che la rappresenta - da un dispositivo detto trasduttore. Il segnale in uscita dal trasduttore è in genere analogico e spesso una tensione (ma non sempre, può essere una corrente o un segnale digitale come nel caso degli encoder)
• il segnale del trasduttore deve essere adattato per renderlo compatibile con i dispositivi che devono utilizzarlo; questo significa filtrare, amplificare e traslare il segnale. Ad esempio potrebbe essere necessario eliminare la componente continua e i disturbi e portare il segnale in un range predefinito (valori tipici sono 0 ÷ 5 V e 4 ÷ 20 mA). Questa serie di operazioni prende il nome di condizionamento del segnale¹⁾
• l'elaborazione del segnale è in genere affidata ad un dispositivo elettronico digitale; è necessario allora convertire il segnale con un convertitore analogico/digitale (A/D o ADC)
• i dispositivi digitali presentano numerosi vantaggi rispetto a quelli analogici e in particolare permettono di elaborare e memorizzare in maniera rapida ed efficiente le informazioni. Tipicamente si tratta di microcontrollori, computer, PLC, DSP (trattati nella materia di Sistemi Automatici); trattandosi di dispositivi programmabili e specializzati è possibile utilizzarli in maniera molto versatile e realizzare controlli sofisticati, come quello ad anello chiuso di figura 2
• nell'esempio di figura 2 il sistema di controllo deve agire sul processo da controllare e per far questo si rende necessario trasformare il segnale in uscita dal dispositivo di elaborazione da digitale ad analogico con un convertitore digitale/analogico (D/A o DAC)
• intervenire sul processo richiede una potenza adeguata; è necessario allora uno stadio di amplificazione di potenza che porti il segnale, che ha un contenuto energetico molto basso, ad un livello adeguato
• l'attuatore infine trasforma la grandezza elettrica di potenza in un altra grandezza fisica in modo da modificare il processo. Esempi di attuatori sono: un motore, un'elettrovalvola, un elemento riscaldante, un diffusore audio

Questa sezione si occupa dei trasduttori e del condizionamento del segnale.

Ovviamente la classificazione più ovvia è quella in base alla grandezza acquisita. Vengono detti secondari i trasduttori la cui grandezza è acquisita sfruttandone un'altra (ad esempio i sensori di forza sono basati su quelli estensimetrici e quelli di posizione su sensori fotoelettrici, magnetici o capacitivi, ecc.).

Il termine sensore è in genere confuso con quello di trasduttore; quando si fa distinzione si intende per sensore solo l'elemento sensibile e per trasduttore l'intero dispositivo che integra il sensore e un circuito di condizionamento.

Facciamo l'ipotesi che il sensore sia analogico e il suo funzionamento quasi-statico, cioè che le variazioni della grandezza siano lente rispetto al tempo risposta del trasduttore.

Quando utilizziamo un trasduttore ci interessa:

• che la transcaratteristica sia invertibile, cioè che ad un valore dell'uscita corrisponda un solo valore in ingresso (ad esempio nella figura 3 il range in cui è utilizzabile il sensore è limitato al valore x_max)
• la sua sensibilità elevata, intesa come rapporto tra la variazione dell'uscita e la corrispondente variazione dell'ingresso
• che abbia possibilmente un comportamento lineare perché in questo caso la sensibilità è costante su tutto il range di ingresso e la taratura è estremamente semplice (bastano solo due punti per individuare la caratteristica di trasferimento²⁾)

Se il trasduttore è lineare e produce un segnale in tensione il condizionamento spesso consiste solo nel normalizzare il segnale, cioè portarlo in un range di valori predefinito, ad esempio 0 ÷ 5 Volt. Per far questo occorre:

• amplificare il segnale
• aggiungere un offset per portare a 0 Volt il valore di tensione corrispondente al valore minimo della grandezza acquisita

La figura 7 mostra uno schema di questo semplice sistema di condizionamento. Se `[x_1, x_2]` è il range della grandezza acquisita e `V_t` il segnale del trasduttore sarà necessario imporre:

`V_(OFS)=V_t(x