In molte applicazioni di automazione di fabbrica e di processo si pone il problema di implementare la conversione di un segnale all’ingresso in un altro segnale standardizzato sull’uscita di un dispositivo. Inoltre è essenziale disporre di una eccellente elettronica di condizionamento per le operazioni di isolamento, amplificazione, linearizzazione e conversione di segnali provenienti dai sensori di basso livello, in modo da poter realizzare trasmissioni senza perdite di dati anche su lunghe distanze, in ambienti rumorosi e in presenza di numerosi carichi di diversa natura.

Tipo di Sensore / Segnale	Applicazioni
Termocoppia B, C, E, J, K, N, R, S, T	Misure di temperatura
Termoresistenza Pt100, Pt500, Pt1000, Ni100	Misure di temperatura
Corrente DC 4-20mA, 1-5A, 0-100µA, 0-1mA, 1-5mA	Gestione segnali standard di controllo o uscita sensori
Tensione DC 1-5V, 0-10V, +/-5V, +/-10V, 0-100V, 0-500V	Gestione segnali standard di controllo o uscita sensori
Ponte a estensimetro 0-10mV, 0-20mV, 0-30mV, ±10mV, ±50mV	Gestione pesature, pressione, torsione, compressione
Potenziometro 0-100 Ohm, 0-500 Ohm, 0-1000 Ohm, 0-10 KOhm	Regolazione setpoint, controllo posizione, livello serbatoi
Frequenza/ Impulsi Sinusoide, onda quadra, onda triangolare o picchi di impulso	Gestione sensori di prossimità per la velocità, flusso e conteggio
Digitale Contatto, Reed, NPN, PNP, Namur, Fotoelettrico, Hall, Riluttanza Var., Imp. 24 V, TTL, Contatore Volumetrico	Soglie di allarmi, commutatori di stato
Corrente AC 0-100mA, 0-1A, 0-5A	Gestione potenza elettrica o misura di carichi
Tensione AC 0-500mV, 0-24V, 0-120 V AC	Gestione potenza elettrica o misura di carichi

Conversione in corrente, tensione e resistenza

In relazione ai livelli delle grandezze elettriche di trasmissione dei segnali, esistono delle standardizzazioni per l’ambiente industriale che permettono la connessione di dispositivi eterogenei per tipologia e per costruttore. Ad esempio, i segnali analogici che percorrono lunghe distanze vengono normalmente trasmessi con il cosiddetto loop di corrente (current loop) nell’intervallo 4-20 mA.

Altri livelli standard di segnale, normalmente impiegati quando le distanze di trasmissione sono ridotte (ad esempio dal bordo macchina al quadro di controllo), si trovano nel range ±10 V oppure in campi di misura fino a 1.000 Ohm, nel caso di convertitori che accettano in ingresso segnali per misura di resistenza con collegamento a reostati o potenziometri.

Convertitori di grandezze elettriche

Un’importante categoria dei condizionatori di segnale è rappresentata dai convertitori per misure elettriche che misurano i valori di tensione e corrente (alternate e/o continue) convertendoli in un segnale normalizzato in corrente o in tensione ai morsetti d’uscita, proporzionale al valore dell’ingresso. I parametri di scala degli ingressi e delle uscite sono selezionabili tramite software o DIP switch.

Conversione in frequenza

La conversione di segnali in frequenza coinvolge invece dispositivi che prevedono la misura di frequenza, la lettura di impulsi in un intervallo costante di tempo), il conteggio del numero di giri, della velocità, dei lotti di produzione o di scarto. L’acquisizione e la trasmissione vengono effettuate attraverso la misura del periodo o della frequenza di segnali impulsivi provenienti da sensori industriali quali: fotocellule, interruttori di prossimità, encoder incrementali monodirezionali, contatti reed ecc. Altro tipico impiego sta nella conversione della velocità di una ruota dentata tramite pick-up magnetico, sensori fotoelettrici, Namur per inviare i dati agli ingressi analogici di PLC e/o DCS. La maggior parte dei convertitori tensione/corrente-frequenza accetta al proprio ingresso un segnale di tipo impulsivo e produce in uscita tensione la cui ampiezza è direttamente proporzionale alla frequenza del segnale in ingresso.

Conversione con uscite a relè

Le applicazioni dei convertitori con uscite a relè riguardano l’attivazione di soglie, attuazione e commutazione di uscite digitali (allarmi, transistor, relè). Applicazioni tipiche coinvolgono il controllo di ingressi impulsivi o analogici, la gestione allarmi acustici / visivi, i telecomandi, la gestione di setpoint, soglie, temporizzazioni e commutazioni di stato.

Conversione di temperatura

Nelle misure con resistenze dipendenti dalla temperatura, una corrente di pochi milliAmpère viene fatta transitare da una sorgente di corrente costante nel convertitore di segnale. Tramite un amplificatore si misura la caduta di tensione nella resistenza (circuito a due conduttori). Per tener conto delle cadute di tensione sui conduttori, si misura la caduta di tensione del cavo di ritorno e il calcolo viene eseguito raddoppiandone il valore (circuito a tre conduttori). Si simulano cosi le resistenze del cavo di alimentazione e ritorno.

Nel caso delle termocoppie è invece la compensazione al giunto freddo la tecnica più richiesta per ottenere misure accurate. Quando una termocoppia è connessa ad un sistema di acquisizione dati, è necessario conoscere la temperatura nel punto di connessione per calcolare la temperatura reale che la termocoppia sta misurando. Nel rilevamento della temperatura con termocoppie sorge infatti il problema della formazione di una termotensione nei punti di serraggio del convertitore di segnale a causa della diversità di materiali tra cavo e barra conduttrice. Questa tensione neutralizza la tensione della termocoppia. Per compensare la conseguente alterazione del valore di misura, la temperatura viene misurata nel punto di serraggio. Il convertitore di segnale legge dunque il valore misurato in quel punto e lo calcola sulla base del valore misurato. Questa tecnica è nota come metodo della compensazione del giunto freddo.

Convertitori per ponti di misura

Un’altra tecnica di condizionamento molto diffusa è quella relativa alle misure basate su ponti estensimetrici come il peso, la torsione, lo sforzo ecc. Tipicamente il peso e il carico di un ponte di misura esterno vengono letti dal condizionatore di segnale e convertiti in un segnale analogico normalizzato. I convertitori di misura a ponte elaborano segnali di ingresso nel campo dei milliVolt.

Nelle applicazioni di pesatura industriale le celle del carico sotto un “ponte di misura” generano un segnale di tensione che viene amplificato, isolato e convertito in un’uscita lineare in tensione o corrente continua per l’ulteriore elaborazione ad opera del sistema di pesatura.

Conversioni A/D / Multiplexing

Attraverso la conversione A/D (analogico/digitale) si ricava, a partire da una tensione di ingresso che può assumere un certo valore all’interno di una certa dinamica, una stringa di bit che, secondo una certa codifica, è legata alla tensione di ingresso stessa. Le codifiche utilizzate nei convertitori sono molteplici, ma semplificando si può assumere che il numero ottenuto dalla conversione sia proporzionale alla tensione di ingresso. La conversione A/D è fondamentale in quasi tutti i sistemi di acquisizione ed elaborazione del segnale. Difatti la gran parte della moderna strumentazione industriale lavora con segnali numerici. In particolare tramite il multiplexing, un sistema di misura è in grado di instradare in modo sequenziale più segnali in un singolo digitalizzatore, offrendo così un metodo a basso costo per aumentare il numero di canali del sistema. Un multiplexer è costituito da un insieme di deviatori o switch ed offre un’interessante riduzione dei costi grazie all’impiego di un solo convertitore A/D per N ingressi.