Automazione e Strumentazione
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Settembre 2014
MISURE DI PRESSIONE
speciale
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Sensori a film sottile e a film spesso
I sensori a film sottile (thin film sensor) si basano
sullo stesso principio degli estensimetri. Sono
strutture resistive a reticolo il cui stiramento pro-
duce una variazione di resistenza misurabile, cau-
sata dalle variazioni di lunghezza e di spessore
indotte. Quattro resistenze sono posizionate su
una membrana nella forma di un ponte di Whe-
atstone per rilevare la deformazione della mem-
brana sottoposta alla pressione.
Anche i
sensori a film spesso
utilizzano un
sistema di resistenze a un ponte di Wheatstone.
Le strutture resistive sono “stampate” su un ele-
mento di base (ad esempio una base ceramica) e
successivamente vengono trattate ad alta tempe-
ratura. Anche in questo caso la variazione della
resistenza del ponte è dovuta alla variazione geo-
metrica causata dallo stiramento e dalla compres-
sione del materiale
Tubi di Bourdon
Eugène Bourdon (1808 –1884) inventò il mano-
metro Bourdon, uno strumento di misura che
poteva misurare pressioni di centinaia di atmo-
sfere. La sua introduzione diede un notevole con-
tributo alla sicurezza dei generatori di vapore.
Nelle applicazioni attuali il
tubo di Bourdon
è utilizzato per misurare pressioni elevate e si
configura come un sistema formato da un tubo
elastico di forma ellittica chiuso e libero di muo-
versi ad un estremo, in contatto con l’ambiente
di misura e vincolato all’altro. Sotto l’azione
della pressione la forma ellittica del tubo tende a
diventare circolare, mentre l’estremo libero tende
a muoversi o a ruotare. Il tubo di Bourdon pre-
senta un’ottima prontezza nella risposta (circa
0.1 secondi) e buona sensibilità (0,01% della
massima pressione senza attrito). Di contro soffre
di non linearità, da compensare meccanicamente
oppure elettronicamente.
Membrane e soffietti
In modo analogo al tubo di Bourdon, anche nei
soffietti e nelle membrane la pressione provoca la
deformazione di un elemento elastico. La defor-
mazione è misurata con estensimetri o con cap-
tatori di spostamento. Rispetto ai tubi di Bourdon
le membrane hanno ingombro inferiore; inoltre la
forza o lo spostamento sono facilmente interfac-
ciabili a dispositivi elettronici per la trasduzione
in un segnale elettrico. Un diaframma o una mem-
brana funzionano come setti deformabili in rispo-
sta a una pressione differenziale applicata alle due
facce opposte.
Similmente i soffietti convertono la pressione
applicata in uno spostamento lineare. La sensibi-
lità dipende dall’elasticità del materiale impiegato.
I soffietti in gomma
hanno alta sensi-
bilità e misurano
basse differenze di
pressione, mentre
i soffietti metallici
consentono di misu-
rare pressioni anche
molto elevate. Lo
spostamento line-
are subisce poi una
conversione in una
grandezza elettrica.
Trasduttori piezoelettrici e piezoresistivi
I trasduttori di pressione
piezoelettrici
sono
costituiti da un elemento piezoelettrico a forma
di disco situato tra la membrana e un elemento
isolante. La membrana è solidale ad un coperchio
filettato avvitato sul corpo del trasduttore al fine
di fornire all’elemento piezoelettrico un preca-
rico. Questo è necessario ad ottenere delle fre-
quenze naturali differenti rispetto alle frequenze
della pressione dinamica agente sull’elemento
sensibile in modo da evitare la risonanza del cri-
stallo. Quando tale pressione è applicata, l’ele-
mento piezoelettrico viene compresso generando
una differenza di potenziale rilevabile ai capi di
due fili conduttori solidali a due elettrodi posti
sulle facce del disco di materiale piezoelettrico.
I sensori di pressione
piezoresistivi
sfruttano la
variazione di resistività di un materiale condutto-
re causata dalla deformazione della membrana.
Tali sensori si basano sul il principio fisico del-
la piezoresistenza, per il quale un particolare ele-
mento resistivo segue le deformazioni della su-
perficie di un elemento sensore (una lamina, una
membrana, un filo o altro) a cui è fissato. Que-
ste deformazioni (tipicamente allungamenti e ac-
corciamenti) causano una
variazione della resistivi-
tà elettrica del materiale del
resistore, e di conseguenza
la sua resistenza elettrica.
Collegando a questo ele-
mento un sistema di misu-
ra in grado di leggere varia-
zioni di resistenza, si può ri-
salire all’entità della defor-
mazione, e di conseguen-
za all’entità della pressione
che le ha causate.
Sensori di pressione capacitivi e induttivi
Nei sensori di pressione
capacitivi
la deforma-
zione del diaframma indotta dalla pressione viene
rilevata mediante la misura della capacità formata
Rappresentazione schematica del
Tubo di Bourdon
Schema costruttivo di un trasduttore
piezoelettrico
