Che cos'è un sensore di pressione piezoelettrico?
I sensori di pressione piezoelettrici possono essere ulteriormente classificati in base al fatto che venga misurata la carica elettrostatica del cristallo, la sua resistività o la sua frequenza di risonanza. A seconda del fenomeno utilizzato, il sensore a cristallo può essere definito elettrostatico, piezoresistivo o risonante. In caso di
applicazione di pressione, forza o accelerazione a un cristallo di quarzo, si sviluppa una carica attraverso il cristallo che è proporzionale alla forza applicata (Figura 3-8). La differenza fondamentale tra questi sensori a cristallo e i dispositivi a forza statica come gli estensimetri è che il segnale elettrico generato dal cristallo decade rapidamente. Questa caratteristica rende questi sensori inadatti alla misurazione di forze o pressioni statiche, ma utili per misurazioni dinamiche. < 1% dell'intervallo"> In presenza di
una pressione sul cristallo, questo si deforma elasticamente. Questa deformazione provoca un flusso di carica elettrica (che dura alcuni secondi). Il segnale elettrico risultante può essere misurato come indicazione della pressione applicata al cristallo. Questi sensori non sono in grado di rilevare pressioni statiche, ma vengono utilizzati per misurare pressioni in rapida variazione derivanti da Esplosioni, pulsazioni di pressione (in motori a razzo, motori, compressori) o altre fonti di urti o vibrazioni. Alcuni di questi sensori robusti sono in grado di rilevare eventi di pressione con "tempi di salita" dell'ordine di un milionesimo di secondo e sono descritti più dettagliatamente più avanti in questo capitolo. L'uscita di tali sensori di pressione dinamica è
spesso espressa in unità di pressione "relative" (come psir invece di psig), riferendo così la misurazione alla condizione iniziale del cristallo. Il range massimo di tali sensori è di 5.000 o 10.000 psir. Le caratteristiche desiderabili dei sensori piezoelettrici includono la loro struttura robusta, le dimensioni ridotte, l'alta velocità e il segnale autogenerato. D'altra parte, sono sensibili alle variazioni di temperatura e richiedono cavi e amplificatori speciali. È necessaria particolare attenzione durante l'installazione: Una delle considerazioni da tenere 
presenti è che la coppia di montaggio deve essere uguale alla coppia alla quale sono stati calibrati (di solito 30 pollici-libbre). Un altro fattore che può comprometterne le prestazioni rallentando la velocità di risposta è la profondità della cavità vuota sotto la cavità. Maggiore è la cavità, più lenta è la risposta. Si raccomanda quindi di ridurre al minimo la profondità della cavità, che non deve essere superiore al diametro della sonda (di solito circa 0,25 pollici). I trasduttori di pressione elettrostatici sono piccoli e robusti. La forza sul cristallo può
essere applicata longitudinalmente o trasversalmente e, in entrambi i casi, provocherà un'uscita di tensione elevata proporzionale alla forza applicata. Il segnale di tensione autogenerato dal cristallo è utile quando fornire alimentazione al sensore è impraticabile o impossibile. Questi sensori piezoelettrici forniscono anche risposte ad alta velocità (30 kHz con picchi fino a 100 kHz), il che li rende ideali per misurare fenomeni transitori. La figura 3-9 illustra un sensore di pressione con compensazione dell'accelerazione. In questo tipo di sonda, la compensazione è fornita dall'aggiunta di una massa sismica e di un "cristallo di compensazione" separato di polarità inversa. Questi componenti sono dimensionati in modo da annullare esattamente l'effetto inerziale delle masse (il terminale e il diaframma) che agiscono sullo stack di cristalli sensibili alla pressione quando vengono accelerati. Poiché il quarzo è un minerale comune e presente in natura, questi trasduttori piezoelettrici
sono generalmente economici. La tormalina, una forma semipreziosa di quarzo presente in natura, ha una reattività inferiore al microsecondo ed è utile nella misurazione di transitori molto rapidi. Selezionando il cristallo in modo appropriato, il progettista può garantire sia una buona linearità che una ridotta sensibilità alla temperatura. Sebbene i trasduttori piezoelettrici non siano in grado di misurare le pressioni statiche, sono
ampiamente utilizzati per valutare i fenomeni di pressione dinamica associati a esplosioni, pulsazioni o condizioni di pressione dinamica in motori, motori a razzo, compressori e altri dispositivi pressurizzati che subiscono rapidi cambiamenti. Sono in grado di rilevare pressioni comprese tra 0,1 e 10.000 psig (da 0,7 KPa a 70 MPa). La precisione tipica è dell'1% del fondo scala con un ulteriore 1% del fondo scala per ogni 1000¡ di effetto temperatura. I sensori di pressione piezoresistivi funzionano in base alla dipendenza della resistività
del silicio sotto sforzo. Simile a un estensimetro , un sensore piezoresistivo è costituito da un diaframma su cui sono incollate quattro coppie di resistori in silicio. A differenza della struttura di un sensore estensimetrico, in questo caso il diaframma stesso è realizzato in silicio e i resistori vengono diffusi nel silicio durante il processo di produzione. Il diaframma viene completato incollandolo a un wafer di silicio non lavorato. Se il sensore deve essere utilizzato per misurare la pressione assoluta, il processo di incollaggio viene eseguito
sotto vuoto. Se il sensore di pressione deve essere referenziato, la cavità dietro il diaframma viene collegata all'atmosfera o alla fonte di pressione di riferimento. Quando viene utilizzato in un sensore di processo, il diaframma in silicio è protetto dal contatto diretto con i materiali di processo da un diaframma protettivo riempito di fluido realizzato in Acciaio inox o in un'altra lega che soddisfa i requisiti di corrosione del servizio. I sensori di pressione piezoresistivi sono sensibili alle variazioni di temperatura e devono essere compensati termicamente.
I sensori di pressione piezoresistivi possono essere utilizzati da circa 3 psi a un massimo di circa 14.000 psi (da 21 KPa a 100 MPa). I sensori di pressione piezoelettrici risonanti misurano la variazione della frequenza di risonanza dei cristalli
di quarzo sotto una forza applicata. Il sensore può essere costituito da una trave sospesa che oscilla mentre è isolata da tutte le altre forze. La trave viene mantenuta in oscillazione alla sua frequenza di risonanza. Le variazioni della forza applicata determinano variazioni della frequenza di risonanza. La relazione tra la pressione applicata P e la frequenza di oscillazione è: dove TO è il periodo di oscillazione quando la pressione applicata è zero, T è il periodo di oscillazione
quando la pressione applicata è P, e A e B sono costanti di calibrazione per il trasduttore. Questi trasduttori possono essere utilizzati per misurazioni di pressione assoluta con intervalli da 0-15 psia a 0-900 psia (da
0-100 kPa a 0-6 MPa) o per misurazioni di pressione differenziale con intervalli da 0-6 psid a 0-40 psid (da 0-40 kPa a 0-275 kPa). Molti dei primi modelli di trasduttori di pressione erano basati su fenomeni magnetici. Questi includevano l'uso di induttanza,
riluttanza e correnti parassite. L'induttanza
è quella proprietà di un circuito elettrico che esprime la quantità di forza elettromotrice (emf) indotta da una data frequenza di variazione del flusso di corrente nel circuito. La riluttanza è la resistenza al flusso magnetico, l'opposizione offerta da una sostanza magnetica al flusso magnetico. In questi sensori, una variazione di pressione produce un movimento che a sua volta modifica l'induttanza o la riluttanza di un circuito elettrico. La figura 3-10A illustra l'uso di un trasformatore differenziale variabile lineare (LVDT) come elemento di lavoro di un trasmettitore di pressione. L'LVDT funziona secondo il principio del rapporto di induttanza. In questo modello, tre bobine sono collegate a un tubo isolante contenente un nucleo di ferro, posizionato all'interno del tubo dal sensore di pressione. La corrente alternata viene applicata alla bobina primaria al centro e, se anche il nucleo è centrato, nelle bobine secondarie (n. 1 e n. 2) vengono indotte tensioni uguali. Poiché le bobine sono
collegate in serie, questa condizione determina un'uscita pari a zero. Man mano che la pressione di processo cambia e il nucleo si sposta, la differenza nelle tensioni indotte nelle bobine secondarie è proporzionale alla pressione che causa il movimento. I trasduttori di pressione di tipo LVDT sono disponibili con una accuratezza dello 0,5% del Fondo scala e con intervalli da 0-30 psig (0-210 kPa) a 0-10.000 psig (0-70 MPa). Sono in grado di rilevare pressioni assolute,
manometriche o differenziali. I loro principali limiti sono la suscettibilità all'usura meccanica e la sensibilità alle vibrazioni e alle interferenze magnetiche. La riluttanza è l'equivalente della resistenza in un circuito magnetico. Se una variazione di pressione modifica gli spazi nei percorsi del flusso magnetico dei due nuclei, il rapporto tra le induttanze
L1/L2 sarà correlato alla variazione della pressione di processo (Figura 3-10B). I trasduttori di pressione basati sulla riluttanza hanno un segnale di uscita molto elevato (dell'ordine di 40 mV/volt di eccitazione), ma devono essere eccitati da tensione alternata. Sono sensibili ai campi magnetici vaganti e agli effetti della temperatura di circa il 2% per 1000 °F. A causa dei loro segnali di uscita molto elevati, sono spesso utilizzati in applicazioni in cui è richiesta un'alta risoluzione su un intervallo relativamente piccolo. Possono coprire intervalli di pressione da 1 pollice d'acqua a 10.000 psig (da 250 Pa a 70 MPa). La precisione tipica è dello 0,5% del Fondo scala. I trasduttori di pressione ottici rilevano gli effetti dei minimi movimenti dovuti alle variazioni della pressione di processo e generano un segnale di uscita elettronico
corrispondente (Figura 3-11). Come sorgente luminosa viene utilizzato un diodo a emissione luminosa (LED) e una paletta blocca parte della luce mentre viene spostata dal diaframma. Man mano che la pressione di processo sposta la paletta tra il diodo sorgente e il diodo di misurazione, la quantità di luce infrarossa ricevuta cambia. I sensori di pressione ottici devono compensare l'invecchiamento della sorgente luminosa LED mediante un diodo di riferimento, che non viene mai bloccato dalla
paletta. Questo diodo di riferimento compensa anche il segnale per l'accumulo di sporco o altri materiali di rivestimento sulle superfici ottiche. Il trasduttore di pressione ottico è immune agli effetti della temperatura, poiché i diodi sorgente, di misura e di riferimento sono influenzati in modo uguale dalle variazioni di temperatura. Inoltre, poiché la quantità di movimento necessaria per effettuare la misurazione è molto piccola (inferiore a 0,5 mm), gli errori di isteresi e ripetibilità sono quasi nulli. I trasduttori di pressione ottici non richiedono molta manutenzione. Hanno un'eccellente stabilità e sono progettati per misurazioni di lunga durata. Sono
disponibili con intervalli da 5 psig a 60.000 psig (da 35 kPa a 413 MPa) e con una precisione dello 0,1% del fondo scala. Considerazioni pratiche Nelle applicazioni industriali, una buona ripetibilità è spesso più importante dell'accuratezza assoluta. Se le pressioni di processo variano
in un ampio intervallo,
i sensori di pressione con una buona linearità e una bassa isteresi sono la scelta preferibile. I sensori di pressione differenziale sono un esempio di sensori comunemente utilizzati nelle applicazioni industriali. Anche le variazioni della temperatura ambiente e di processo causano errori nelle misurazioni della pressione, in particolare nel rilevamento di basse
pressioni e piccole pressioni differenziali. In tali applicazioni è necessario utilizzare compensatori di temperatura. Anche le variazioni dell'alimentazione elettrica riducono le prestazioni dei trasduttori di pressione. La sensibilità (S) di un trasduttore determina la quantità di variazione che si verifica nella tensione di uscita (VO) quando la tensione di alimentazione (VS) cambia, con la pressione misurata (Pm) e la pressione nominale del trasduttore (Pr) che rimangono costanti: In un sistema di misurazione della pressione, l'errore totale può essere calcolato utilizzando il metodo della somma dei
quadrati: l'errore totale è pari alla radice quadrata della somma dei quadrati di tutti gli errori individuali. "> I trasduttori di pressione generano solitamente segnali di uscita nell'ordine dei millivolt (intervalli da
100 mV a 250 mV). Quando
vengono utilizzati nei trasmettitori, questi segnali vengono spesso amplificati al livello di tensione (da 1 a 5 V) e convertiti in loop di corrente, solitamente da 4-20 mA cc. L'alloggiamento del trasduttore deve essere selezionato in modo da soddisfare sia la
classificazione elettrica dell'area che i requisiti di corrosione della particolare installazione. La protezione dalla corrosione deve tenere conto sia degli schizzi di liquidi corrosivi o dell'esposizione a gas corrosivi all'esterno dell'alloggiamento, sia dell'esposizione dell'elemento sensibile a materiali di processo corrosivi. I requisiti di corrosione dell'installazione sono soddisfatti selezionando materiali resistenti alla corrosione, rivestimenti e utilizzando guarnizioni chimiche, che saranno discusse più avanti in questo capitolo. Se l'installazione si trova in un'area in cui possono essere presenti vapori esplosivi,
il sensore di pressione e la sua alimentazione devono essere adatti a questi ambienti. Ciò si ottiene solitamente collocandoli all'interno di alloggiamenti purgati o antideflagranti, oppure utilizzando design a sicurezza intrinseca. Probabilmente la decisione più importante nella scelta di un trasduttore di pressione è
la gamma. È necessario tenere presenti due considerazioni contrastanti: l'accuratezza dello strumento e la sua protezione dalla sovrapressione. Dal punto di vista dell'accuratezza, la gamma di un trasmettitore dovrebbe essere bassa (pressione operativa normale intorno alla metà della gamma), in modo da ridurre al minimo l'errore, solitamente una percentuale del Fondo scala. D'altra parte, è necessario considerare sempre le conseguenze dei danni causati dalla sovrapressione dovuti a errori di funzionamento, progettazione difettosa (colpo d'ariete) o mancata isolamento dello strumento durante le prove di pressione e l'avvio. Pertanto, è importante specificare non solo il campo necessario, ma anche il livello di protezione dalla sovrapressione necessario. La maggior parte degli strumenti di misura della pressione è dotata di una protezione
contro la sovrapressione compresa tra il 50% e il 200% dell'intervallo (Figura 3-12). Queste protezioni soddisfano la maggior parte delle applicazioni. Laddove sono previste sovrapressioni più elevate e di natura temporanea (picchi di pressione di breve durata, pochi secondi o meno), è possibile installare degli smorzatori. Questi filtrano i picchi, ma rendono la misurazione meno reattiva. Se si prevede che la sovrapressione eccessiva sia di durata più lunga, è possibile proteggere il sensore installando una valvola di sicurezza. Tuttavia, ciò comporterà una perdita di misurazione quando la valvola di sicurezza è aperta. Se il trasmettitore deve funzionare a
temperature ambiente elevate, l'alloggiamento può essere raffreddato elettricamente (effetto Peltier) o con acqua, oppure può essere trasferito in un'area climatizzata. Quando si prevedono temperature di congelamento, è necessario utilizzare un riscaldamento a resistenza o un tracciamento a vapore in combinazione con un isolamento termico. In presenza di temperature
di processo elevate, è possibile prendere in considerazione l'uso di vari metodi per isolare lo strumento di misura della pressione dal processo. Questi includono guarnizioni a circuito chiuso, sifoni, guarnizioni chimiche con tubi capillari per il montaggio remoto e spurgo.
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Scritto da: Dan Schultz
Aggiornato il: 30 ottobre 2025
Capire il significato di "intrinsecamente sicuro"
Written by: Dan Schultz
Updated on: March 30, 2026