Sensori di pressione: la trasmissione digitale del segnale

Le misure accurate di pressione sono spesso un requisito decisivo in svariate applicazioni. In questo articolo Wika illustra le configurazioni di base di entrambe le catene di misura analogiche
e digitali, oltre i tipici errori che influenzano la misura

di Massimo Beatrice

Quando un’applicazione richiede dati di misura accurati i vantaggi dei sensori digitali, se confrontati con gli strumenti analogici, sono evidenti. Un sensore digitale implica un sensore con un convertitore analogico/digitale integrato che utilizza un’interfaccia digitale per trasmettere il valore misurato (ad esempio CANopen, PROFIBUS, USB) il cui valore di pressione viene trasmesso come valore digitale. Un sensore analogico, invece, non è dotato di convertitore digitale/analogico e trasmette un segnale analogico di corrente o di tensione, ad esempio 4-20 mA o 0-10 V.

Una soluzione per evitare errori e il condizionamento del segnale
Nelle applicazioni dove è richiesta elevate accuratezza è consigliabile l’uso dei sensori digitali. Ciò permette di evitare ulteriori sorgenti di errore tipiche degli strumenti analogici, oltre al condizionamento del segnale, dovute alla trasmissione di segnale analogica.
La figura 1 mostra lo schema di un tipico sensore di pressione analogico. Quando una membrana sottoposta a pressione si deforma, si verifica una variazione di resistenza nel ponte resistivo fissato alla membrana stessa. Tale variazione viene convertita in un segnale elettrico, in seguito amplificato e trasformato in uno standard. La correzione degli errori del sensore (errore di zero, errore di span, non linearità) si effettua anche con un circuito analogico, come per esempio le resistenze di compensazione. Tuttavia con i sensori digitali il segnale elettrico del ponte resistivo è convertito direttamente in uno digitale, e la successiva compensazione viene invece effettuata in modo matematico mediante microprocessore. In questo caso è possibile compensare gli errori non lineari di qualsiasi ordine, arrivando ad accuratezze dello 0,05% con bassi costi. È anche possibile ottenere una compensazione attiva della temperatura con un microcontrollore, eliminando qualsiasi errore di temperatura entro un campo di temperatura definito.

Il segnale di pressione non è influenzato dagli effetti esterni
All’inizio l’interfaccia di entrambi i principi di misura del sensore è soggetta alle influenze ambientali come fluttuazioni di temperatura, compatibilità elettromagnetica, e via dicendo. Tuttavia, nel caso del trasmettitore di pressione digitale, dopo la conversione A/D il segnale di pressione non sarà più influenzato dagli effetti esterni. Nel caso della catena di segnale analogica anche la compensazione interna è soggetta ai possibili effetti della temperatura a causa dei componenti passivi. Il driver di uscita che genera il segnale standardizzato è altresì soggetto a una serie di influenze (lunghezza del cavo, impedenza di ingresso della misura del segnale, temperatura, disturbi elettromagnetici e altro ancora). Per la successiva elaborazione questo segnale analogico deve essere digitalizzato, che sia per una semplice visualizzazione a display o come variabile di controllo di un controllore. Per questo si utilizzano, ad esempio, i canali I/O di un controllore logico programmabile (PLC) o i moduli esterni A/D. Questi componenti sono anch’essi soggetti a fattori esterni che hanno un impatto negativo sull’accuratezza dell’acquisizione del valore misurato.

Adattare il valore numerico a un qualsiasi BUS di segnale digitale
I moduli A/D sono dotati di una loro accuratezza specifica, la migliore possibile per determinare un segnale analogico.
Nel caso della trasmissione del segnale digitale, l’accuratezza complessiva della catena di misura è influenzata solo dall’inaccuratezza del sensore.
A seguito della conversione A/D interna del sensore la pressione sarà disponibile come valore numerico. Può quindi essere adattato tramite un microprocessore a un qualsiasi BUS di segnale digitale. Questo adattamento non influenza l’accuratezza, e anche la trasmissione di segnale digitale non è soggetta a influenze che potrebbero degradarne l’accuratezza. Per completezza bisognerebbe dire che intense interferenze elettromagnetiche sono in grado di influenzare i segnali del BUS digitale.

Come progettare la catena di misura digitale
Nella progettazione della catena di misura digitale non solo viene ridotta la suscettibilità d’errore ma anche la quantità del cablaggio. Per la configurazione dei sensori digitali la maggior parte dei costruttori si rivolge a una strategia che utilizza componenti identici: il valore di pressione compensato è quindi pronto per essere nuovamente trasformato in un segnale standard analogico tramite una conversione D/A. Nel contesto del confronto tra la tecnologia analogica e digitale del sensore, questo è pressoché il caso peggiore. Per la valutazione dell’accuratezza, oltre al confronto sulla realizzazione di base delle catene di misura, occorre anche tenere in conto dei vantaggi utilizzando un esempio di calcolo. I sensori di pressione sono disponibili in entrambe le versioni digitale e analogica a prezzi ragionevoli e con accuratezza fino allo 0,1%. Questa accuratezza va usata come line di partenza in entrambi i casi.

I costi aggiuntivi sono diminuiti
I sistemi digitali offrono anche vantaggi dal punto di vista dei costi. Negli ultimi anni i costi aggiuntivi per i sensori con interfaccia digitale sono diminuiti. Nell’esempio del trasmettitore di pressione esiste già un fornitore di una famiglia di sensori di pressione tra cui è possibile scegliere la versione con segnali di uscita analogici o digitali senza costi aggiuntivi. I cavi richiesti per la trasmissione del segnale sono abbastanza costosi se confrontati con la loro controparte analogica, anche se nel caso di un sistema BUS è richiesta una sola linea. Nel caso della trasmissione di segnale analogica è necessario un cavo per ogni punto di misura e quindi, in totale, il cablaggio del sistema digitale può essere più vantaggioso.

Conclusioni
Le catene di misura digitali mostrano la loro forza per applicazioni in cui sono presenti punti di misura multipli ed è necessaria una sicura e accurata trasmissione dei valori misurati. In particolar modo nel settore dei banchi prova per motori che funzionano per periodi di tempo considerevoli, 24 ore al giorno e 7 giorni a settimana, in ambienti in cui persistono alte temperature e forti interferenze elettromagnetiche si raccomanda l’uso di una catena di misura totalmente digitale.

Autore: Massimo Beatrice, Marketing & Communication, Wika Italia

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