Il trasduttore (dall'inglese transducer, der. negli anni 1920 dal latino trans-ducere, guidare-condurre + attraverso-passare oltre) è un dispositivo in grado di convertire una forma di energia, in una diversa.
Il dispositivo può essere attivo o passivo, meccanico o elettrico, e può essere caratterizzato da alcuni parametri quali sensibilità, linearità, risposta in frequenza, impedenza interna e stabilità.
Raramente, l'uscita di un trasduttore può essere direttamente collegata ad uno strumento di misura, di elaborazione o di visualizzazione. Il segnale elettrico in uscita dal sensore/trasduttore, oltre a contenere componenti indesiderate, è in genere troppo rumoroso e debole (valori dell’ordine dei millivolt o dei picoampere) per poter essere trasmesso a distanza. In questo caso è necessaria la presenza di un circuito di interfaccia che ottimizzi il collegamento fra dispositivo sensibile e carico.
In molti casi la distinzione tra sensore e trasduttore non è così netta e delineata e molto spesso nella letteratura tecnica e nella pratica comune i due termini sono utilizzati come sinonimi.
Descrizione I trasduttori presentano una grandezza (o segnale) in entrata e una grandezza (o segnale) in uscita; la grandezza in uscita varia al variare della grandezza in ingresso ed è legata a essa mediante una funzione matematica più o meno complessa, chiamata caratteristica del trasduttore o funzione di trasferimento del trasduttore: conoscendo la funzione di trasferimento e la grandezza in uscita è quindi possibile conoscere il valore della grandezza in ingresso e viceversa.
Per trasduttore si intende anche un dispositivo in grado di trasformare una forma di energia in un'altra forma tramite uno o più sistemi di trasformazione. Una grandezza caratteristica di un trasduttore in questo senso è il suo 'rendimento:. e modifiche aggiuntive Frasamod data l'energia in ingresso nel sistema, e un'altra in uscita dal sistema, si dice "rendimento" il rapporto:
Nel caso ideale in cui le perdite di energia nel sistema siano nulle, il rendimento sarà evidentemente massimo e pari a 1, cioè quando
Il rendimento in un sistema reale, trasduttore di energia, è quindi una grandezza positiva minore di 1 e viene anche indicato in % moltiplicando il valore per 100.
Grandezze di entrata Alcuni esempi di grandezze in entrata di un trasduttore sono: accelerazione, campo elettrico, campo magnetico, densità, forza, livello, peso, pH, portata, posizione angolare, posizione lineare, pressione, radiazione, segnale elettrico, temperatura, velocità, viscosità, umidità.
Grandezze di uscita
Le grandezze di uscita dei trasduttori in genere sono: forza, spostamento, variazione di impedenza o segnale elettrico/elettronico.
Intervallo di entrata/uscita
Un trasduttore è caratterizzato da un intervallo di valori della grandezza d'entrata dove il funzionamento è stabile (o "regolare"). A tale intervallo di valori della grandezza d'entrata corrisponde un intervallo di valori della grandezza di uscita in cui il funzionamento del trasduttore è regolare.
Il massimo intervallo della grandezza da trasdurre dovrà essere compreso nel massimo intervallo di ingresso della grandezza del trasduttore. Anche per l'uscita del trasduttore bisogna tenere presente l'intervallo di regolare funzionamento.
In caso contrario il funzionamento del trasduttore non è più prevedibile e ciò può comportarne il danneggiamento.
Ad esempio: gli ingranaggi devono essere progettati affinché i denti delle ruote dentate possano resistere a tutta la potenza che potrebbero essere chiamati a trasdurre e devono avere un attrito delle varie parti nettamente inferiore alla potenza minima prevedibile da trasdurre; un trasformatore, se la tensione di ingresso è troppo elevata o l'impedenza del carico alimentato dall'uscita è troppo piccola non trasdurrà in modo regolare e, nel peggiore dei casi, si potrà "bruciare"; una molla se viene sovraccaricata non trasdurrà in modo regolare e, nel peggiore dei casi si potrà rompere; una termocoppia se è sottoposta a una temperatura troppo elevata si può fondere.
Funzione di trasferimento
La funzione di trasferimento di un trasduttore (o caratteristica del trasduttore) può essere di un tipo tra cui lineare, quadratica, cubica, esponenziale o logaritmica. I trasduttori più utilizzati possiedono una caratteristica lineare oppure vengono fatti lavorare nell'intervallo dove la caratteristica è lineare (o con buona approssimazione lineare).
In alcuni casi la caratteristica è stabilita empiricamente mediante prove di laboratorio.
Dipendenza dalle variabili ambientali
Praticamente tutti i trasduttori sono più o meno influenzati, nel loro utilizzo pratico, da una o più delle variabili ambientali. Cioè il loro regolare funzionamento può dipendere e può venir influenzato dalla temperatura, dall'umidità, dalla pressione, dalle polveri in sospensione, dalle radiazioni ionizzanti, dai campi magnetici, dai campi elettrici, dalla luminosità, dalle sostanze presenti nell'atmosfera, ecc. Per cui bisognerà scegliere, con la dovuta attenzione, il trasduttore più idoneo allo scopo e al luogo dove deve operare o, in alternativa, prevedere un'adeguata protezione.
Alcuni esempi possono chiarire questo punto. In un ambiente potenzialmente esplosivo, per la presenza di polveri e/o sostanze chimiche esplosive, si dovranno utilizzare componenti elettrici/elettronici adeguatamente protetti per evitare che eventuali scintille possano innescare un'esplosione nell'ambiente di lavoro. In un ambiente polveroso si dovranno utilizzare ingranaggi protetti, per impedire che la polvere possa bloccare il loro regolare funzionamento. In un ambiente dove sono presenti radiazioni ionizzanti, si dovranno utilizzare componenti elettronici adeguatamente schermati per evitare che le radiazioni danneggino i vari circuiti. In un ambiente dove sono presenti intensi campi magnetici e/o intensi campi elettrici sarà necessario utilizzare strumenti elettrici insensibili a tali campi o, in alternativa, strumenti adeguatamente protetti.
Classificazione
I trasduttori si possono suddividere in base alla tipologia di energia di ingresso e di uscita. In questo caso si possono avere due famiglie di trasduttori differenti: trasduttori omogenei: trasduttori dove l'energia di ingresso è omogenea (di identica natura) rispetto a quella di uscita; alcuni esempi di trasduttori omogenei sono: trasduttori meccanici (tra cui gli ingranaggi) trasduttori idraulici (tra cui la condotta forzata) trasduttori elettrici (tra cui il trasformatore) trasduttori elettronici (tra cui il transistor) trasduttori non omogenei (o ibridi): trasduttori dove l'energia di ingresso è di diversa natura (non omogenea) rispetto a quella di uscita; alcuni esempi di trasduttori non omogenei sono: trasduttori elettromeccanici (grandezza elettrica → grandezza meccanica e viceversa) trasduttori elettro-ottici (grandezza elettrica → grandezza ottica e viceversa) trasduttori magnetoelettrici (grandezza magnetica → grandezza elettrica e viceversa) trasduttori piezoelettrici (grandezza pressione → grandezza elettrica e viceversa).
I trasduttori si possono suddividere anche in base al rapporto tra l'energia di uscita e quella di ingresso: trasduttori attivi: quando l'energia in uscita è inferiore all'energia in ingresso (es. ingranaggi, trasformatore, molle, ecc. Un esempio può essere il trasduttore piezoceramico, che percepisce le vibrazioni e gli impatti subiti dalla struttura trasformando l'energia meccanica in segnale elettrico) trasduttori passivi (o inerti): quando l'energia in uscita è uguale o superiore all'energia di ingresso. Questo significa che il trasduttore deve essere alimentato da una fonte di energia ausiliaria esterna (es. triodo, transistor, ecc.)
Trasduttori monouso In genere i trasduttori sono tutti riutilizzabili più volte, ma esistono anche trasduttori monouso; ad esempio la cartina di tornasole (che trasduce il valore del pH di un liquido in una variazione di colorazione della cartina medesima) è uno di questi:
Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita Cartina di tornasole pH colore sulla cartina medesima
Una volta utilizzata, non è più riutilizzabile e per eseguire una nuova misurazione del pH c'è la necessità di una nuova cartina. Altri esempi di trasduttori monouso sono alcuni trasduttori di pressione, di temperatura, ecc. per applicazioni medicali (sono monouso per ovvi problemi igienici).
Accoppiamento In serie o cascata È possibile accoppiare più trasduttori in cascata o in serie per ottenere un trasduttore complessivo con caratteristiche molto specifiche. In questo caso la grandezza di uscita del primo trasduttore deve essere di identica natura alla grandezza di entrata del secondo trasduttore per poter effettuare il relativo accoppiamento. In ultima analisi l'uscita complessiva dei trasduttori è, normalmente, pneumatica o elettrica/elettronica.
Il motivo per cui i trasduttori possiedono un'uscita pneumatica è che, fino a non tantissimi anni fa, era il solo sistema per poter effettuare delle operazioni complesse, su una macchina, in modo completamente automatico.
Ultimamente l'elettronica ha soppiantato praticamente tutti i comandi pneumatici e questo è il motivo per cui moltissimi trasduttori moderni hanno un'uscita elettrica/elettronica. Le caratteristiche del segnale di uscita sono normalizzate per poter rendere rielaborabile il segnale da altri componenti o da un computer. In questo caso si ha una netta separazione di significato tra "sensore" e "trasduttore".
Il sensore è l'elemento che percepisce l'energia di entrata, la trasduce (cioè ne cambia alcune caratteristiche), e la trasmette verso il modulo che la rielabora per renderla compatibile con l'uscita elettrica/elettronica normalizzata. Il trasduttore è l'apparecchiatura nel suo complesso e comprende pertanto il sensore e il modulo di normalizzazione. È superfluo dire che il modulo di normalizzazione è un trasduttore nel significato più ampio, visto che trasduce l'uscita del sensore nel segnale elettrico/elettronico normalizzato.
Esempi di utilizzo di più trasduttori in cascata Primo esempio Se si ha la necessità di misurare una portata e riportare questo valore su uno strumento in una sala comandi si potrebbe realizzare un trasduttore in questo modo. Un tubo di Pitot accoppiato a un potenziometro accoppiato, a sua volta, a un ponte di Wheatstone alimentato, che risulta accoppiato a uno strumento indicatore. Le seguenti sono le varie funzioni di trasferimento coinvolte.
Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita Tubo di Pitot portata spostamento lineare Potenziometro spostamento lineare variazione di resistenza Ponte di Wheatstone alimentato variazione di resistenza segnale elettrico Strumento indicatore segnale elettrico spostamento lineare - spostamento angolare
In realtà il tubo di Pitot misura la somma di una quantità proporzionale alla pressione del fluido a una quantità proporzionale alla velocità del fluido (KP + K'V). Non è difficile, da questa misurazione, estrarre la sola componente della velocità e da questo valore calcolare la portata del relativo fluido.
Secondo esempio In una comunissima bilancia familiare sono presenti alcuni trasduttori. Al suo interno sarà presente una molla accoppiata a un ingranaggio. Le seguenti sono le varie funzioni di trasferimento coinvolte.
Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita Molla forza spostamento lineare Ingranaggi spostamento lineare spostamento angolare
In parallelo