FLUIDICA
FLUIDICA
. La f. è una particolare tecnologia secondo cui sono realizzati componenti pneumatici privi di parti meccaniche in movimento, per elaborare informazioni aventi come supporto fisico un fluido in pressione, costituito in genere da una corrente gassosa.
Il termine "fluidica" prende origine dall'ingl. fluidic, ottenuto come contrazione di fluid e logic. Originariamente serviva a individuare solo quei dispositivi senza parti meccaniche in movimento realizzati per elaborare informazioni costituite dalla presenza o dall'assenza di una pressione di valore opportuno. Successivamente, allo stesso termine è stato attribuito un significato più ampio e viene abitualmente impiegato per caratterizzare tutti i dispositivi pneumatici senza parti meccaniche in movimento in grado di elaborare informazioni di tipo continuo, discontinuo e ibrido trasmesse per mezzo di un fluido.
I primi studi sulla f. furono svolti verso la fine del 18° secolo e continuarono sporadicamente per tutto il secolo successivo. Il primo contributo significativo è costituito da un amplificatore fluidico realizzato nel 1890 da C. A. Bell; il risultato che ha dato l'avvio allo sviluppo della moderna f. è dovuto a H. Coanda, che nel 1932 scoprì il principio fisico che regola l'adesione di una vena fluida a una parete e che comunemente viene indicato come "effetto Coanda ". La quasi totalità dei componenti fluidici attualmente funzionanti sono basati su tale principio.
Studi e ricerche sulla f. furono svolti in maniera sistematica solo dopo circa venti anni quasi contemporaneamente in vari paesi e avevano come scopo essenziale quello di realizzare componenti di tipo modulare aventi prefissate caratteristiche ingresso-uscita. Intorno al 1960 iniziò anche la produzione industriale secondo un'ampia varietà di tipi. Ciò rese possibile la messa a punto di intere apparecchiature fluidiche da applicare in vari settori della tecnica. Nel decennio successivo le ricerche sui componenti modulari continuarono senza portare però a sostanziali innovazioni; la produzione industriale s'indirizzò verso una più limitata gamma di componenti.
Attualmente, sulla base delle esperienze acquisite per quanto riguarda l'efficienza, l'affidabilità e il costo, sono stati individuati alcuni specifici settori applicativi in cui può risultare conveniente l'impiego su vasta scala della fluidica.
Parallelamente allo sviluppo di dispositivi pneumatici privi di parti meccaniche in movimento, detti propriamente fluidici, sono stati realizzati altri dispositivi pneumatici il cui funzionamento è determinato dal movimento di membrane prive di rigidezza meccanica o di valvole di piccole dimensioni realizzate secondo svariate tecnologie. Tali dispositivi sono in grado di elaborare informazioni costituite da un fluido in pressione e vengono a volte indicati come fluidici. Ciò porta a una certa confusione che peraltro può venire facilmente eliminata adottando per questi ultimi un'altra denominazione, per es., "elementi pneumologoci" o "elementi logici a membrana ". La parola "fluidica" sarà pertanto impiegata per individuare solo gli elementi pneumatici realizzati secondo la nuova tecnologia.
La f. viene impiegata per realizzare apparecchiature in grado di elaborare le informazioni necessarie per il comando degli organi di potenza (servovalvole, attuatori lineari, dispositivi elettropneumatici, ecc.) che agiscono su un singolo processo o su sistemi in cui le varie parti devono funzionare in maniera coordinata. Lo sviluppo della f. è stato determinato dalla necessità di sostituire i dispositivi elettrici ed elettronici quando le condizioni ambientali non ne consentono un funzionamento corretto e affidabile oppure di offrirne una valida alternativa quando la rapidità di elaborazione è compatibile con le esigenze operative dell'apparato da controllare.
I vantaggi della f. sono dovuti alla più semplice realizzazione costruttiva, al minor ingombro, al ridotto costo di esercizio e di manutenzione. Essendo i singoli componenti privi di parti meccaniche in movimento non sono soggetti a usura e possono avere una vita praticamente illimitata, se alimentati con aria priva di polvere, umidità e altre impurezze. Rispetto alle apparecchiature elettroniche (realizzate con tubi elettronici, transistori o circuiti integrati) quelle fluidiche hanno il vantaggio di essere praticamente insensibili a urti, vibrazioni, accelerazioni, disturbi provenienti dalla rete di alimentazione o dall'ambiente. Sono inoltre caratterizzate da un minor costo unitario, da un minor ingombro, da notevole facilità d'installazione e di manutenzione. Le apparecchiature fluidiche sono realizzate mediante componenti di tipo modulare ognuno caratterizzato dalle elaborazioni che è in grado di effettuare sulle variabili d'ingresso. I componenti modulari sono ottenuti collegando opportunamente elementi che si comportano come amplificatori (elementi attivi) ed elementi che si comportano come dissipatori o accumulatori di energia (elementi passivi). Le connessioni non sono modificabili o accessibili dall'esterno.
Il funzionamento degli elementi di tipo passivo può essere interpretato facilmente mediante le ben note leggi della fisica che governano la dissipazione e l'accumulo di energia.
Gli amplificatori costituiscono invece gli elementi di nuova concezione e basano il loro funzionamento sull'interazione di vene fluide di differenti caratteristiche. A seconda della modalità con cui viene provocata l'interazione della vena fluida proveniente dall'alimentazione con quella impiegata per il comando, le caratteristiche esterne dell'amplificatore possono essere del tipo "proporzionale" o "tutto-niente". Di conseguenza possono venire elaborate informazioni di tipo continuo, logico e ibrido.
La variabile di uscita ottenuta prelevando parte della vena fluida che prende origine dopo l'interazione, può essere impiegata per comandare un numero limitato di altri amplificatori fluidici o il preamplificatore posto all'ingresso degli organi di potenza che agiscono sull'apparato da controllare.
La rapidità di risposta di un amplificatore fluidico dipende, oltre che dalla pressione e dalla portata delle vene fluide di alimentazione e di comando, dalle modalità secondo cui viene provocata la loro interazione. In genere è dell'ordine del millisecondo; risulta pertanto inferiore a quella degli amplificatori elettronici ma superiore a quella degli amplificatori pneumatici di altro tipo. Dal momento che gli amplificatori fluidici sono gli elementi che hanno determinato lo sviluppo di questa nuova tecnologia, si ritiene opportuno illustrarne brevemente il funzionamento.
In relazione alle modalità secondo cui viene fatta interagire la vena fluida di alimentazione con quella di comando, gli amplificatori fluidici possono essere raggruppati in quattro classi: a) a turbolenza; b) a effetto parete; c) a vortice; d) a interazione di getti.
Gli amplificatori fluidici a turbolenza sono realizzati secondo lo schema di principio illustrato nella fig. 1. Dall'involucro, a forma di parallelepipedo sono accessibili quattro connessioni: a è l'ugello di alimentazione, b il condotto di uscita contrapposto a tale ugello, c il condotto attraverso cui viene inviata la variabile di comando, d lo scarico nell'atmosfera. Questi ultimi sono disposti perpendicolarmente all'asse di allineamento di a e b.
Le dimensioni geometriche dell'elemento e la pressione di alimentazione sono fissate in modo che la vena fluida che fuoriesce dall'ugello a, in assenza della variabile di comando, sia convogliata con moto laminare verso il condotto di uscita; in tali condizioni lo scarico nell'atmosfera è praticamente nullo.
Quando viene applicata la vena fluida di comando, il moto di quella proveniente dall'alimentazione diviene turbolento e di conseguenza si riduce la pressione di uscita e aumenta lo scarico nell'atmosfera. Interrompendo la vena fluida di comando si ristabiliscono le condizioni di moto laminare.
L'amplificatore è realizzato per ottenere in prevalenza caratteristiche del tipo tutto-niente; in tal caso l'elemento realizza la funzione logica NOR e viene costruito con più di un ugello di comando.
Gli amplificatori fluidici a effetto parete sono realizzati secondo lo schema di principio illustrato nella fig. 2A. Dall'ugello a fuoriesce la vena fluida di alimentazione che in assenza del segnale di comando, applicato tramite il condotto b, aderisce alla parete esterna del condotto c il cui asse è leggermente divergente rispetto alla direzione di efflusso. Ciò avviene in conformità del principio fisico detto "effetto Coanda". Per convogliare la vena fluida nel condotto c′, simmetrico rispetto a c, occorre fare agire tramite b la vena fuida di comando. Una nuova commutazione, che ripristina la condizioni iniziali, è ottenuta applicando il comando al condotto b′ posto in posizione simmetrica rispetto a b.
L'amplificatore funziona come elemento bistabile con caratteristica ingresso-uscita del tipo tutto-niente. Può realizzare più di una funzione logica a seconda di come vengono scelti i condotti di comando e di uscita. Il tempo di commutazione, inferiore a quello degli amplificatori a turbolenza, dipende dalle dimensioni geometriche del vano entro cui avviene l'interazione. Tali amplificatori sono particolarmente indicati per ottenere componenti di tipo modulare che realizzano una prefissata funzione logica.
Gli amplificatori a vortice sono realizzati secondo lo schema di principio illustrato nella fig. 3A. L'involucro ha una forma cilindrica con tre condotti accessibili. Due, cioè a e b, posti in prossimità l'uno dell'altro, hanno gli assi rispettivamente perpendicolare e tangenziale alla superficie cilindrica esterna, il terzo c è al centro di una delle basi. L'alimentazione è applicata tramite il condotto a perpendicolare alla superficie esterna, il comando tramite il condotto b, l'uscita è prelevata dal condotto inserito nella superficie piana su cui è posto anche il foro di sfiato. In assenza del comando, la vena fluida di alimentazione è convogliata in uscita con la sua massima portata. Il comando imprime un rimescolamento con moto rotatorio e la vena fluida risultante raggiunge l'uscita con moto elicoidale.
L'elemento ha una caratteristica esterna del tipo proporzionale dal momento che all'aumentare della grandezza di comando diminuisce la pressione di uscita. Il tempo d'intervento e di ripristino sono dell'ordine della decina di millisecondi.
Gli amplificatori fluidici a interazione di getti sono realizzati in modo che la vena fluida, che prende origine dall'interazione, abbia come quantità di moto la risultante di quella della vena di alimentazione e di quella della vena di comando.
Lo schema di principio di una possibile realizzazione è illustrato nella fig. 3B. In essa s'individuano l'ugello di alimentazione a, i condotti di comando b e b′ e quelli di uscita c e c′. Quando non è applicato alcun segnale di comando la vena fluida di alimentazione si suddivide in parti eguali nei canali c e c′ senza dare origine al fenomeno di adesione alle pareti dei condotti di uscita. Quando il comando è realizzato attraverso una sola vena fluida, all'aumentare della quantità di moto si modifica la suddivisione della vena fluida risultante: in uno dei condotti la portata aumenta, nell'altro diminuisce. L'amplificatore ha una caratteristica ingresso-uscita del tipo proporzionale e può venire impiegato come amplificatore differenziale se il comando è applicato contemporaneamente in b e in b′. Modificando la struttura geometrica si possono realizzare elementi con caratteristica ingresso-uscita anche di tipo tutto-niente.
Le figure presentate per illustrare il principio di funzionamento degli amplificatori fluidici sono estremamente schematiche. In realtà per inserire l'amplificatore in un circuito modulare occorre effettuare in maniera accurata il progetto del profilo dell'ugello di alimentazione, dei canali di comando, di uscita e di sfiato, nonché del vano in cui viene provocata l'interazione delle vene fluide. Studi teorici e indagini sperimentali su modelli fisici in scala concorrono a definire il profilo di un componente fluidico che comprende elementi attivi e passivi. La realizzazione è ottenuta con vari procedimenti fra cui il più diffuso è quello della fotoincisione su materie plastiche di adeguate caratteristiche o su materiale ceramico.
Nella fig. 2B è mostrato il profilo di un componente modulare che realizza la funzione logica NOR in cui l'elemento attivo è costituito da un amplificatore a effetto parete. E stata usata la stessa simbologia della fig. 2A per individuare i condotti di alimentazione, di comando e di uscita; i condotti di sfiato, necessari per rendere indipendente il funzionamento dalle condizioni di carico, sono invece indicati con d e d′. Nelle fig. 2C e 2D sono illustrati rispettivamente il simbolo grafico per individuare il particolare componente fluidico negli schemi funzionali di assemblaggio nonché il disegno quotato di un elemento d'impiego corrente con a fianco i dati forniti dal costruttore riguardanti le specifiche sull'alimentazione e sul comando.
I componenti modulari sono numerosissimi, alcuni sono costituiti solo da un amplificatore proporzionale, la maggior parte è predisposta per realizzare operazioni logiche di tipo elementare quali, per es., AND, OR, NOR, ecc. Esiste poi una piccola varietà in grado di elaborare i segnali d'ingresso secondo funzioni più complesse di tipo sia esclusivamente logico, sia ibrido. Tali componenti sono realizzati in genere per applicazioni del tutto particolari, mentre gli altri, essendo d'impiego generale, devono rispondere a prefissati requisiti di standardizzazione per quanto concerne le dimensioni esterne, le modalità d'interconnessione e la pressione di alimentazione.
L'applicazione di apparecchiature fluidiche al controllo automatico di apparati più o meno complessi è stata favorita dalla possibilità di realizzare particolari trasduttori in cui l'elemento sensibile è costituito dalla vena fluida che fuoriesce da un ugello collegato con l'alimentazione. La variabile, di cui si vuole effettuare la misura, provoca, in maniera diretta o indiretta, una deviazione della direzione di efflusso che viene rilevata prelevando in maniera opportuna la vena fluida necessaria per comandare un amplificatore fluidico di tipo convenzionale. Tale elemento realizza l'interfaccia con gli altri componenti fluidici e costituisce in genere parte integrante del trasduttore. A seconda delle caratteristiche ingresso-uscita dell'amplificatore, l'uscita può essere proporzionale alla grandezza da misurare o legata a essa mediante una funzione di tipo logico.
In particolari applicazioni i trasduttori fluidici presentano una maggiore affidabilità di quelli convenzionali di tipo elettrico e meccanico. Infatti, non solo come gli altri componenti fluidici, possono funzionare in ambienti a temperatura elevata, contaminati da polvere, umidità, radiazioni, ma anche consentono di ottenere il rilievo delle variabili d'interesse senza che sia necessariamente stabilito il contatto fisico con il trasduttore. Ciò costituisce un notevole vantaggio in quanto elimina le incertezze causate dall'usura dei congegni meccanici e dal deterioramento dei contatti elettrici. Rispetto ai trasduttori in cui l'elemento sensibile è costituito da un raggio di luce e che al pari di quelli fluidici non richiedono il contatto con l'oggetto da misurare per ricavare l'informazione, questi ultimi presentano l'ulteriore vantaggio di non essere influenzati né dalle caratteristiche cromatiche dell'ambiente né dalla temperatura.
Nel campo dei trasduttori fluidici risultano di primario interesse i sensori di prossimità che sono in grado di segnalare l'annullarsi della distanza fra il trasduttore fluidico e l'ostacolo senza che debbano necessariamente incontrarsi. Di notevole importanza sono anche i trasduttori che consentono di misurare la tolleranza di elementi aventi dimensioni prestabilite senza che le superfici interessate siano sfiorate da elementi di misura.
Per applicazioni particolari sono stati realizzati trasduttori fluidici in cui la variabile da misurare è di tipo continuo mentre l'uscita è di tipo logico. Per es., la misurazione della temperatura di un ambiente può essere effettuata in maniera indiretta ricollegandola alla frequenza di funzionamento di un oscillatore fluidico e la velocità angolare di un albero meccanico alla frequenza delle interruzioni di una vena fluida.
Per quanto riguarda le applicazioni converrà distinguere tre diverse situazioni in cui può venire a trovarsi un'apparecchiatura fluidica. In alcuni casi l'impiego della f. è determinato dal desiderio di rendere automatico il funzionamento di apparati semiautomatici o a comando manuale in cui sono impiegati attuatori pneumatici per comandare gli organi finali di potenza. Poiché in genere l'automazione consiste nel realizzare dispositivi di tipo sequenziale che elaborino un numero limitato di informazioni ottenibili da trasduttori fluidici, risulta per vari motivi conveniente l'impiego di componenti fluidici modulari. In tal modo non occorre affrontare i delicati problemi d'interfaccia fra dispositivi elettronici o elettromeccanici e quelli fluidici. Se però il comando sequenziale comporta l'impiego di un elevato numero di componenti modulari, la realizzazione mediante componenti elettronici risulta senz'altro più conveniente.
Seguendo tale criterio sono state automatizzate un gran numero di macchine operatrici destinate a compiere un limitato numero di movimenti secondo una sequenza prefissata.
In altri casi la f. costituisce l'unica soluzione tecnologicamente valida per la realizzazione delle apparecchiature di controllo destinate a funzionare in ambienti tali da rendere poco affidabile il funzionamento sia dei dispositivi di controllo sia dei trasduttori, se realizzati con altre tecnologie. Molti problemi nel settore minerario, petrolchimico, aereonautico, missilistico e nucleare sono stati risolti mediante apparecchiature fluidiche.
Un terzo settore in cui la f. ha trovato larga possibilità d'impiego è costituito da alcuni campi molto specifici in cui motivi di funzionalità e costo dànno la netta preferenza a dispositivi realizzati secondo questa tecnologia. Per es., nel campo delle applicazioni mediche di rilevante interesse sono i respiratori e gli apparecchi per anestesia completamente fluidici, che garantiscono maggiore affidabilità di quelli elettromeccanici e maggiore semplicità d'installazione, impiego e manutenzione. Le apparecchiature fluidiche sono diffusamente impiegate anche per il condizionamento di ambienti. In questo settore è possibile realizzare l'intera apparecchiatura per il controllo, compreso l'organo finale di potenza, per via fluidica. Secondo il principio di adesione di una vena fluida alla parete sono infatti realizzate le valvole che agiscono sulla portata di aria da immettere nel locale da condizionare.
La f. è stato oggetto di numerosi convegni scientifici specializzati in cui sono stati illustrati i risultati riguardanti la realizzazione di componenti o di prototipi di apparecchiature. Attualmente alla f. sono dedicate alcune sessioni di convegni o congressi riguardanti o i problemi del controllo in generale o alcuni settori applicativi.
Bibl.: R. Molle, Les composants hydrauliques et pneumatiques de l'automatique, Parigi 1967; A. R. Parsons, Fluidics, in Enciclopedia britannica, vol. d'aggiornamento 1969; J. L. Shearer, K. N. Reid, Fuidic components, in Trends in control components, Amsterdam 1974.