I Trasduttori di Pressione

Introduzione

Un trasduttore di pressione è un dispositivo elettromeccanico progettato per misurare la pressione di un fluido (liquido o gas) e convertire tale misurazione in un segnale elettrico standardizzato.
Questo segnale è proporzionale alla pressione rilevata e può essere facilmente letto, interpretato e processato da sistemi di controllo, come PLC, datalogger o display digitali.

La sua funzione è fondamentale nei processi industriali moderni, dove la pressione è un parametro critico per la sicurezza, l’efficienza e il controllo qualità.

Senza una misurazione affidabile della pressione, la gestione di impianti oleodinamici, sistemi pneumatici o reattori chimici sarebbe impossibile.

Che cos’è un trasduttore di pressione e perché è fondamentale

Come definito, il trasduttore è un convertitore di grandezza fisica (pressione) in segnale elettrico.

È composto essenzialmente da due parti: un elemento sensibile (sensore) che si deforma sotto l’azione della pressione e un’elettronica di condizionamento (trasduttore vero e proprio) che amplifica, linearizza e converte questa deformazione in un’uscita standard.

La sua importanza nei processi industriali risiede nella capacità di fornire un feedback in tempo reale ai sistemi di automazione. Questo permette ai controllori (es. PLC) di regolare attuatori (valvole, pompe) per mantenere i parametri di processo entro i limiti di sicurezza e operativi stabiliti.

Come funziona un trasduttore di pressione

Un trasduttore di pressione opera convertendo la deformazione meccanica, causata dalla pressione del fluido, in un segnale elettrico proporzionale. Questo processo avviene in due fasi principali: la conversione meccanica e la trasduzione elettrica.

Principio di conversione meccanica

Il componente chiave è l’elemento sensibile, solitamente una membrana o un diaframma. Quando il fluido (gas o liquido) entra nell’attacco di processo, esercita una forza sulla superficie di questa membrana. La forza provoca una deformazione fisica (flessione) della membrana, la cui entità è direttamente proporzionale alla pressione applicata.

Dalla deformazione al segnale elettrico

La deformazione meccanica della membrana viene misurata da un elemento secondario. A seconda della tecnologia utilizzata, questa deformazione può causare:

• una variazione di resistenza elettrica (tecnologia piezoresistiva o strain gauge);
• una variazione di capacità (tecnologia capacitiva);
• la generazione di una carica elettrica (tecnologia piezoelettrica, usata per misure dinamiche).

L’elettronica interna (circuito di condizionamento) rileva questa minima variazione elettrica, la amplifica, la compensa (ad esempio per gli effetti della temperatura) e la converte nel segnale di uscita standardizzato.

Uscite elettriche standardizzate

Il segnale finale inviato al sistema di controllo è normalizzato secondo standard industriali:

• Uscita in corrente (4-20 mA): è lo standard industriale più diffuso. Utilizza un loop di corrente a due fili. Il segnale “vivo” (4 mA) indica lo zero della misura (0 pressione) e conferma che il circuito è integro (zero-vivo). È molto robusto contro le interferenze elettromagnetiche su lunghe distanze.
• Uscita in tensione (0-10 V, 0-5 V): comune in applicazioni di laboratorio o su macchine con brevi distanze di cablaggio. Richiede tipicamente 3 fili.
• Uscite digitali: forniscono un segnale digitale che include non solo il valore di pressione, ma spesso anche dati diagnostici, informazioni di taratura e la possibilità di configurare il dispositivo da remoto.

Tipologie di trasduttori di pressione

I trasduttori si classificano principalmente in base alla tecnologia di rilevamento utilizzata e al tipo di pressione misurata rispetto a un riferimento.

Tecnologie di rilevamento (Piezoresistivi, Capacitivi, Strain Gauge)

• Piezoresistivi (Film Spesso/Sottile): i più comuni. Utilizzano resistori (strain gauge) depositati su una membrana ceramica o metallica. La deformazione della membrana modifica la resistenza elettrica. Offrono un buon equilibrio tra costo, robustezza e stabilità.
• Capacitivi: misurano la variazione di capacità tra due armature, una fissa e una mobile (la membrana stessa). La pressione deforma la membrana, alterando la distanza tra le armature e quindi la capacità. Sono noti per l’elevata stabilità a lungo termine e la buona resistenza alla sovrapressione.
• Strain Gauge (Estensimetrici): simili ai piezoresistivi, ma gli estensimetri (spesso metallici) sono incollati o saldati sulla membrana. La deformazione meccanica ne altera la lunghezza e la sezione, variandone la resistenza.
• Piezoelettrici: utilizzano materiali cristallini (es. quarzo) che generano una carica elettrica quando sottoposti a stress meccanico (deformazione). Sono ideali per misurare pressioni dinamiche (variazioni rapide, colpi d’ariete, pulsazioni) ma non sono adatti per pressioni statiche.

Tipi di misura: pressione assoluta, relativa e differenziale

• Trasduttori Assoluti: misurano la pressione rispetto al vuoto assoluto (0 bar). La camera di riferimento del sensore è sigillata sotto vuoto. Vengono utilizzati quando la misura non deve essere influenzata dalla pressione atmosferica (es. altimetri, processi in vuoto).
• Trasduttori Relativi (Gauge): misurano la pressione rispetto alla pressione atmosferica ambiente. È il tipo più comune per applicazioni industriali (es. pressione pneumatici, circuiti idraulici). Un valore di 0 bar indica che la pressione misurata è uguale a quella atmosferica.
• Trasduttori Differenziali: misurano la differenza di pressione tra due punti distinti (Porta 1 e Porta 2). Sono usati per misurare perdite di carico (es. filtri intasati), livelli di liquidi in serbatoi chiusi o portate (tramite tubo di Venturi o orifizio).

Vantaggi nell’uso industriale

L’integrazione di trasduttori di pressione nei sistemi di automazione offre vantaggi tecnici tangibili:

• Affidabilità e Ripetibilità: forniscono misurazioni stabili e costanti nel tempo, essenziali per il controllo di processo.
• Compatibilità con PLC: le uscite standard (4-20 mA) sono direttamente interfacciabili con gli ingressi analogici dei Controllori Logici Programmabili (PLC).
• Resistenza a condizioni gravose: costruiti con materiali robusti (spesso acciaio inox) e con elevati gradi di protezione (IP), possono operare in ambienti con vibrazioni, umidità, polvere e temperature estreme.
• Sicurezza: permettono il monitoraggio costante di pressioni critiche, attivando allarmi o arresti di emergenza (shutdown) prima che si verifichino guasti catastrofici.
• Ottimizzazione: il controllo preciso della pressione (es. in un compressore o in un sistema oleodinamico) riduce gli sprechi energetici e migliora l’efficienza del ciclo di lavoro.

Applicazioni industriali comuni

I trasduttori di pressione sono onnipresenti in quasi tutti i settori manifatturieri e di processo:

• Oleodinamica e Pneumatica: controllo della pressione in cilindri, attuatori e linee idrauliche/pneumatiche su macchine utensili o presse.
• Compressori e Vuoto: monitoraggio della pressione di uscita dei compressori d’aria e del livello di vuoto nelle pompe.
• Sistemi di Automazione: feedback di pressione per robotica (pinze pneumatiche) e linee di assemblaggio.
• Impianti Idraulici e HVAC: controllo della pressione dell’acqua nelle reti, monitoraggio dei filtri e gestione delle caldaie.
• Industria di Processo (Chimica, Food & Beverage): misurazione del livello nei serbatoi (misura idrostatica) e controllo della pressione nei reattori.

Specifiche tecniche da valutare

La selezione di un trasduttore richiede un’analisi attenta delle specifiche del costruttore in relazione all’applicazione.

Range di misura e sovraccarico (Overpressure)

Il range di misura (es. 0-10 bar) deve coprire la pressione operativa normale del sistema. L’overpressure (o sovraccarico) indica la pressione massima che il trasduttore può sopportare senza subire danni permanenti. È fondamentale per gestire picchi di pressione imprevisti (colpi d’ariete).

Precisione, linearità e isteresi

L’accuratezza (o inaccuratezza) indica l’errore massimo della misura, spesso espressa come percentuale del fondo scala (% FS). Include gli effetti combinati di:

• non-linearità: deviazione della curva di uscita reale da una linea retta ideale;
• isteresi: differenza di uscita quando si raggiunge la stessa pressione in fase crescente e decrescente;
• non-ripetibilità: variazione dell’uscita per la stessa pressione applicata in condizioni identiche.

Specifiche ambientali e di processo

• Materiali a contatto col fluido: le parti bagnate (membrana, attacco) devono essere chimicamente compatibili con il fluido misurato (es. acciaio Inox 316L per fluidi corrosivi, FKM o NBR per le guarnizioni).
• Temperatura operativa e del fluido: il trasduttore deve operare correttamente nel range di temperatura ambiente (elettronica) e del fluido (sensore). La deriva termica (effetto della temperatura sulla misura) è una specifica chiave.
• Grado di Protezione IP: definisce la resistenza dell’alloggiamento all’ingresso di polvere e liquidi (es. IP65, IP67).

Connessioni, alimentazione e segnale

• Connessione al processo: l’attacco filettato (es. G1/4″, 1/4″ NPT) o flangiato deve corrispondere a quello dell’impianto.
• Alimentazione elettrica: il range di tensione o corrente necessario per alimentare il dispositivo (es. 10-30 Vdc per un’uscita 4-20 mA).
• Connessione elettrica: il tipo di connettore (es. M12, DIN 43650) o l’uscita a cavo.

Differenza tra trasduttore analogico e digitale

La differenza principale risiede nel tipo di segnale di uscita: i trasduttori analogici emettono un segnale elettrico continuo (es. 4-20 mA o 0-10 V), direttamente proporzionale alla pressione.

I trasduttori digitali (es. IO-Link, Modbus) processano internamente il segnale e lo trasmettono come dati discreti (pacchetti di informazioni) tramite un protocollo di comunicazione.
Questi ultimi permettono una diagnostica avanzata e la configurazione remota dei parametri.

Come collegare un trasduttore di pressione?

Il collegamento richiede due connessioni distinte: una meccanica (idraulica/pneumatica) al processo e una elettrica (cablaggio) al sistema di acquisizione dati o controllo.

Collegamento meccanico al processo

Il trasduttore viene avvitato su un punto di presa di pressione sull’impianto. Si utilizza una filettatura (es. G1/4 maschio) compatibile con quella dell’impianto (es. G1/4 femmina).
È fondamentale utilizzare una guarnizione appropriata (O-ring, guarnizione piatta) per assicurare la tenuta stagna ed evitare perdite del fluido.

Collegamento elettrico e tipi di loop

Il cablaggio dipende dal tipo di uscita:

• Loop 4-20 mA (2 fili): è il più comune. I due fili (+V e -V/Segnale) servono sia per alimentare il trasduttore sia per trasmettere il segnale di corrente. Si collega in serie a un alimentatore DC e all’ingresso analogico (in corrente) del PLC.
• Uscita in Tensione (3 fili): richiede 3 connessioni: +V (Alimentazione), GND (Comune/Massa) e Segnale (Uscita 0-10V).

Come è fatto un trasduttore di pressione?

Un trasduttore di pressione è tipicamente composto da tre parti: un attacco al processo (la connessione meccanica filettata), un elemento di rilevamento (il sensore, ad esempio una membrana ceramica piezoresistiva) e un corpo (housing) che contiene l’elettronica di condizionamento del segnale e il connettore elettrico.

Come scegliere un trasduttore di pressione?

La scelta di un trasduttore di pressione si basa sull’analisi delle specifiche di processo:

1. Fluido: natura (liquido, gas, aggressivo) e temperatura.
2. Range di Pressione: pressione operativa, massima e presenza di picchi (overpressure).
3. Tipo di Pressione: relativa, assoluta o differenziale.
4. Segnale di Uscita: tipo richiesto dal sistema di controllo (4-20 mA, 0-10 V, IO-Link).
5. Ambiente: temperatura ambiente, vibrazioni, umidità (grado IP).
6. Connessioni: attacco al processo e connettore elettrico.
7. Precisione: livello di errore ammissibile per l’applicazione.

Cos’è un trasduttore di alta pressione?

È un trasduttore progettato con materiali e costruzioni rinforzate (es. attacchi speciali ad alta resistenza, membrane spesse in acciai speciali) per operare in sicurezza e con stabilità a range di misura molto elevati, tipicamente superiori a 1.000 bar (15.000 psi).
Sono usati in banchi prova, sistemi waterjet o processi di iperbarica.

Che cos’è un trasduttore di pressione analogico?

Un trasduttore di pressione analogico è un dispositivo che produce un segnale elettrico continuo (in tensione, come 0-10 V, o in corrente, come 4-20 mA) che è direttamente proporzionale alla pressione misurata.
Rappresenta la tecnologia tradizionale prima dell’avvento delle comunicazioni digitali su bus di campo.

Cos’è un trasduttore di pressione a membrana?

È un trasduttore che utilizza una membrana flessibile (o diaframma) come elemento sensibile primario. La pressione del fluido deforma la membrana e questa deformazione viene misurata da un elemento secondario (es. strain gauge, piezoresistore, armatura capacitiva) per generare il segnale.
Il termine è quasi un sinonimo di trasduttore di pressione, poiché quasi tutti i modelli utilizzano una qualche forma di membrana.