Sistemi di Trasduzione

Sistemi di trasduzione

Un sistema di controllo deve controllare grandezze fisiche (velocità, posizione, temperature).

Questo risultato può essere ottenuto con sistemi di varia natura: meccanico, fluidico, elettrico, elettronico.

Nei processi industriali tutti i sistemi suddetti sono stati adottati; tuttavia negli ultimi vent’anni si è riscontrato che la soluzione elettronica è quella ottimale. Infatti l’utilizzo di componenti elettronici ha ridotto le dimensioni fisiche delle apparecchiature e la relativa manutenzione, ha permesso la trasmissione a distanza dei segnali e ha velocizzato la capacità di risposta dei sistema di controllo.

I sistemi di controllo automatico elettronici riconoscono ovviamente solo segnali di tipo elettrico.

Pertanto hanno bisogno di dispositivi che siano in grado di convertire le grandezze fisiche da regolare in grandezze elettriche.

Tali dispositivi sono i trasduttori. 

Tipologie di trasduttori

Classifichiamo i trasduttori in funzione: 

• della grandezza fisica d’ingresso
• del segnale elettrico di uscita.

I trasduttori, in funzione della grandezza fisica di ingresso, si dividono in: 

• assoluti
• incrementali

Un trasduttore si definisce assoluto quando l’escursione della grandezza fisica d’ingresso risulta in qualsiasi momento proporzionale alla grandezza elettrica d’uscita.

Supponiamo, ad esempio, di voler controllare la posizione di un asse rettilineo di una macchina utensile: se il trasduttore compie meno di un giro del suo albero nell’ambito di tutta la traslazione la sua prestazione risulta “assoluta” in quanto lo zero della grandezza fisica d’ingresso coincide in qualsiasi momento con lo zero della grandezza elettrica d’uscita.

Si definisce invece incrementale quando la grandezza fisica d’ingresso non è proporzionale in qualsiasi momento alla grandezza elettrica d’uscita. Nell’esempio precedente: se il trasduttore compie più giri per la misura di tutta la traslazione, la sua prestazione risulta incrementale, in quanto lo zero della grandezza fisica d’ingresso non coincide sempre con lo zero della grandezza elettrica d’uscita.

Le figure rappresentano l’andamento dell’uscita dei trasduttore in funzione del grandezza fisica d’ingresso nei due casi suddetti:

Ad ogni quota misurata corrisponde un solo valore dell’uscita del trasduttore. La risoluzione che si può ottenere dipende dalla bontà del trasduttore impiegato.

Le quote misurate sono identificate dal valore d’uscita del trasduttore più il valore dei giri compiuti.

La risoluzione non è più dipendente dalla bontà del trasduttore, ma dal numero di giri che esso compie nell’ambito dei valori da misurare.

In funzione della natura del segnale elettrico di uscita, i trasduttori si dividono invece in: 

• analogici
• digitali

Si dicono analogici quei trasduttori nei quali il segnale di uscita varia con continuità proporzionalmente alla grandezza misurata; si dicono invece digitali quando il loro segnale di uscita è costituito da una successione di impulsi generici o espressi in uno specifico codice.

La figura seguente rappresenta l’andamento della grandezza d’uscita del trasduttore nei due casi: analogico e digitale.

L’alternatore tachimetrico

Gli alternatori tachimetrici sono trasduttori induttivi di velocità di tipo assoluto analogico.

Sono costituiti da un circuito magnetico a magnete rotante, privo di collettore e spazzole e ad avvolgimenti fissi.

Date le caratteristiche costruttive sono particolarmente indicati per impieghi industriali in atmosfere umide e con presenza di sostanze corrosive.

Il loro segnale di uscita è una tensione alternata proporzionale in frequenza ed ampiezza alla velocità (grandezza fisica di ingresso):

In figura un esempio di alternatore tachimetrico industriale: 

Sono visibili in figura: 

• le dimensioni fisiche d’ingombro,
• i dati meccanici necessari per la scelta del giunto di collegamento all’albero mobile (che può essere o albero motore o vite a ricircolo).

Le principali qualità di questo alternatore sono la proporzionalità rigorosa della tensione e della frequenza d’uscita con la velocità di rotazione nei due sensi di marcia, la stabilità del segnale nel tempo e al variare della temperatura, la irrisoria differenza di tensione nei due sensi di rotazione.

L’encoder

L’Encoder (codificatore) è un trasduttore di posizione di tipo digitale il cui funzionamento è basato sul principio optoelettronico (significa che il suo funzionamento è dipendente dalla luce). Per semplicità, può essere definito come un interruttore rotante avente un numero di contatti e di posizioni variabile a seconda del tipo di Encoder. La rotazione dell’albero genera come segnale elettrico d’uscita un treno di impulsi; ogni impulso rappresenta una frazione di un giro dell’albero:

Parte fondamentale dell’Encoder è un disco di materiale trasparente, solidamente collegato all’albero rotante, sul quale vengono fotoincise delle zone opache secondo una configurazione che dipende dal tipo di Encoder. La superficie del disco viene illuminata da diodi LED (LED [Light Emitting Diode]: diodo che opportunamente alimentato emette radiazioni luminose), in modo che le zone opache in movimento intercettino a tratti il fascio luminoso della sorgente.

Dalla parte opposta è montato un dispositivo optoelettronico la cui funzione è quella di rilevare il segnale d’uscita (rilevatore) che trasforma il segnale luminoso modulato in segnale elettrico impulsivo. L’accoppiamento di un fotoemettitore e di un fototransistor ad alta sensibilità permette di ottenere dispositivi ad alta risoluzione e bassa sensibilità ai rumori dovuti a vibrazioni meccaniche.

Nella figura è rappresentata la struttura dell’Encoder:

Da un punto di vista funzionale ed in base alle caratteristiche costruttive del disc interno, gli Encoder possono essere distinti in: 

• Encoder incrementali
• Encoder assoluti.

Negli Encoder incrementali il disco interno, sul quale sono state ricavate delle zone opache e delle zone trasparenti, ruota tra una fonte di luce generata da LED e un fototransistor.

I segmenti opachi interrompono l’asse luminoso: la temporanea interruzione è registrata da circuito elettronico che la trasforma in impulso.

DISCO DI UN ENCODER INCREMENTALE

Negli Encoder assoluti il disco interno è costituito da piste plurime concentriche, ognuna delle quali fornisce un’informazione o “digit” generata da un sistema optoelettronico di lettura.

DISCO DI UN ENCODER ASSOLUTO

Attualmente sono presenti in ambito industriale sia l’Encoder incrementale che l’assoluto; tuttavia la tendenza è quella di utilizzare il sistema assoluto perché in caso di black – out degli impianti l’Encoder assoluto è in grado di riconoscere la propria posizione, mentre quello incrementale perde il riferimento.

L’Encoder incrementale è impiegato sia come trasduttore di posizione che come trasduttore di velocità.

Quando è impiegato come trasduttore di velocità il suo circuito di uscita provvede a contare gli impulsi per un determinato periodo di tempo e a dividere il risultato per il numero di tacche presenti sull’intero disco dell’Encoder.

L’Encoder assoluto è impiegato solo come trasduttore di posizione.

In ogni caso, al di là delle applicazioni considerate, la scelta di un trasduttore dipende: 

• dalle caratteristiche meccaniche dell’impianto al quale deve essere applicato;
• dal grado di precisione che il prodotto finito richiede;
• dalle variazioni di temperatura dell’ambiente;
• dalla compatibilità dell’unità di governo con la natura del segnale d’uscita del trasduttore (digitale o analogico).

Altri tipi di trasduttori:

Tra i trasduttori impiegati nel rilievo di altre grandezze fisiche (forza, pressione, temperatura, portata, ecc…) prendiamo in esame quelli di temperatura, attraverso le loro principali caratteristiche illustrate nella tabella seguente: