Fondamenti di Sperimentazione Aerospaziale Prova del 29 giugno 2012 Anno Accademico

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1 Fondamenti di Sperimentazione Aerospaziale Prova del 29 giugno 2012 Anno Accademico Negli esercizi che prevedono un risultato numerico, PRIMA DELLO SVOLGIMENTO, il candidato descriva dettagliatamente i passi della procedura e le ipotesi di lavoro adottate Il candidato si sforzi di utilizzare una grafia chiara e facilmente leggibile o lo stampatello Modalità di valutazione: E richiesta una risposta almeno sufficiente su ogni singolo punto indicato come fondamentale (F); è consentita una singola eccezione a patto che l insufficienza non sia grave Le risposte ai punti Complementari (C) non utili per la sufficienza, concorrono alla valutazione solo se nei punti fondamentali è rispettato il requisito precedente Quesiti 1) Si vuole discutere l utilizzo di accelerometri piezoresistivi e piezoceramici, della stessa sensibilità nominale, con un sistema di acquisizione dati multicanale per una prova dinamica. Viene richiesta una banda passante di 200Hz. L accelerometro piezoresistivo abbia frequenza propria di 1000 Hz contro Hz del piezoceramico. Si richiede di: a. Descrivere il principio di funzionamento dello strumento accelerometro b. Descrivere in termini comparativi, giustificandole, le caratteristiche principali delle due tipologie di sensore c. Descrivere e giustificare la tipologia di configurazione del sistema di misura che ritenete più appropriata nei due casi 2) F Descrivere i problemi connessi all osservazione limitata nel tempo di un segnale dinamico in termini di problemi e tecniche atte a contenerli 3) F Dimostrare che la RSS rappresenta correttamente la propagazione delle incertezze quando queste sono indipendenti tra loro 4) F Discutere in termini comparativi le caratteristiche di accuratezza di un potenziometro a spirale e di un encoder assoluto per la misura di uno spostamento lineare 5) F Fornire le definizioni di incertezza tipo, estesa e combinata e le relative modalità di calcolo tenendo conto di grandezze affette da incertezze tipo A e B Esercizio 1 E dato il circuito di condizionamento riportato in figura Si chiede di: Comp Risolvere il circuito dimsotrando che la legge di funzionamento è Vo=(R4/R2)Vp- (R3/R1)Vi Fond Valutare se l effetto Joule nelle resistenze possa portare a problemi di qualità delle misure e, se si, di quale natura. Fond Individuare un possibile impiego del circuito indicando anche una conveniente scelta delle resistenze

2 Esercizio 2 Si vuole realizzare un sistema di monitoraggio di condizioni operative acquisendo, mediante un sistema digitale, le seguenti grandezze: - Spostamento del punto di applicazione del carico (escursione prevista a 0.35 m), mediante potenziometri a filo (si dispone di due strumenti di portata pari a 0.5 e 1.0 m, accuratezza 0.1%FS); - Forza esercitata (componente statica di 2000 N più una componente dinamica, approssimativamente sinusoidale di ampiezza ±4000 N), mediante cella di carico assiale (campo di misura ±10000 N, sensibilità 0.06 mv/n/v, accuratezza 0.1% FS); - Deformazione in alcuni punti mediante estensimetro a griglia semplice (deformazione massima prevista 3500 µε) (sono disponibili estensimetri da 350 Ω e k=2). La frequenza stimata di applicazione dei carichi è di 1 Hz e la tolleranza richiesta sui valori massimi e minimi è 2% dei carichi nominali. Il sistema di acquisizione multicanale ha le seguenti caratteristiche: AD a 12 bit con guadagni indipendenti sui singoli canali (1,5,10,100,1000), fondo scala ±10V ; si dispone anche di filtri antialiasing a frequenza di taglio programmabile (attenuazione 120 db/decade) e alimentatori stabilizzati da 5, 10 e 15 V. Si richiede di: 1. Fond Individuare la configurazione ottimale in termini di strumenti, alimentazione e guadagno per ciascuna grandezza in acquisizione. 2. Fond Scegliere la frequenza di campionamento da utilizzare per il monitoraggio nel tempo in modo da consentire la verifica del rispetto della tolleranza dei carichi applicati 3. Fond Discutere l opportunità di utilizzare i filtri anti-aliasing Esercizio 3 Si dispone di una coppia di bilance con modalità conteggio : il visualizzatore digitale indica cioè il numero di pezzi sul piatto della bilancia essendo stato preventivamente inserito il peso nominale del pezzo. Le bilance hanno fondoscala 200 e 20 kn, con identica accuratezza percentuale (0.5% FS). Si chiede di: Comp discutere la correttezza del testo del problema e, se il caso, darne la corretta versione Fond indicare una procedura per la definizione dell incertezza della misura del numero di pezzi, identificando eventuali limiti di impiego della procedura Fond indicare una procedura per definire l incertezza con la quale deve essere misurato il peso nominale che garantisca il conteggio esatto dei pezzi, e fornirne il valore Fond Indicare, fornendone la giustificazione, se l utilizzo di una delle due bilance possa risultare conveniente rispetto a quello dell altra in relazione alla qualità della misura del numero di pezzi Comp Avendo posto sul piatto della prima bilancia un numero di pezzi, l indicatore riporta 300 e 900, rispettivamente nei casi di massa nominale di 300 e 100g; commentare l impiego dello strumento in queste condizioni.

3 Fondamenti di Sperimentazione Aerospaziale Prova del 19 luglio 2012 Anno Accademico Negli esercizi che prevedono un risultato numerico, PRIMA DELLO SVOLGIMENTO, il candidato descriva dettagliatamente i passi della procedura e le ipotesi di lavoro adottate Il candidato si sforzi di utilizzare una grafia chiara e facilmente leggibile o lo stampatello Modalità di valutazione: E richiesta una risposta almeno sufficiente su ogni singolo punto indicato come fondamentale (F); è consentita una singola eccezione a patto che l insufficienza non sia grave Le risposte ai punti Complementari (C) non utili per la sufficienza, concorrono alla valutazione solo se nei punti fondamentali è rispettato il requisito precedente QUESITI 1) F Descrivere il comportamento di un servo-accelerometro 2) F Si chiede se sia possibile eliminare in modo completo il fenomeno del Leakage durante un acquisizione dati 3) F Quali proprietà deve possedere una funzione analitica per essere assunta rappresentativa di una funzione densità di probabilità. 4) F Cosa si intende per RSS e che utilità ha nel caso della misura indiretta di grandezze dipendenti da più variabili Esercizio 1 Si suppone che in prima approssimazione il comportamento di un anemometro a ventola sia assimilabile a quello di uno strumento del primo ordine. Si chiede di: a) C Suggerire una procedura sperimentale per verificare che il comportamento sia quello tipico del primo ordine b) F Suggerire una metodologia per la sua calibrazione c) C Suggerire quali caratteristiche fisiche dello strumento andrebbero modificate e come per migliorare il suo comportamento dinamico

4 Esercizio 2 Alla trave rappresentata nella figura seguente è applicato un carico F incognito in una posizione anch essa incognita. Si vuole determinare: a) F Il numero e la configurazione degli estensimetri necessari per ottenere il valore della forza F, nell ipotesi che il suo punto di applicazione sia compreso tra 1/4L e 3/4L. b) F Come provvedere alla compensazione termica, qualora necessaria. c) C Determinare la sensibilita della trave considerata come bilancia d) C Suggerire una configurazione estensimetrica nel caso in cui per motivi pratici, non sia possibile installare estensimetri sulle solette della trave ma solo sull anima Esercizio 3 Durante una prova statica su un provino di lega leggera di Alluminio per misurarne il modulo di Young, ottenuta applicando una legge di spostamento lineare ad un suo estremo fino ad un massimo di 0.2mm, si ha a disposizione la seguente strumentazione: una scheda di acquisizione dati per PC multicanale con ingressi unipolari 0-10V o bipolari -5 +5V un solo amplificatore separato di guadagni un alimentatore da 5 V (0.1%FS) 4 estensimetri un trasduttore di spostamento LVDT di sensibilità 10V/mm, FS 2mm (0.05%FS) la cella di carico integrata nella macchina di prova di sensibilità 0.1mV/N, FS=50kN (0.1%FS) Sapendo che il provino ha una sezione rettangolare di 50x3mm ed e lungo 250mm: a. F Indicare la configurazione della catena di misura b. C Scegliere la configurazione del ponte estensimetrico c. F Scegliere la configurazione dei canali più adatta alla misura richiesta d. F Ricordando che il modulo elastico cercato può essere ricavato o dalla misura dello spostamento mediante l LVDT, o alternativamente dalla misura diretta del ponte estensimetrico, determinare con quale incertezza verrebbe misurato il modulo elastico nei due casi

5 Fondamenti di Sperimentazione Aerospaziale Prova del 26 settembre 2012 Anno Accademico Negli esercizi che prevedono un risultato numerico, PRIMA DELLO SVOLGIMENTO, il candidato descriva dettagliatamente i passi della procedura e le ipotesi di lavoro adottate Il candidato si sforzi di utilizzare una grafia chiara e facilmente leggibile o lo stampatello Modalità di valutazione: E richiesta una risposta almeno sufficiente su ogni singolo punto indicato come fondamentale (F); è consentita una singola eccezione a patto che l insufficienza non sia grave Le risposte ai punti Complementari (C) non utili per la sufficienza, concorrono alla valutazione solo se nei punti fondamentali è rispettato il requisito precedente Quesito 1 F Formulare la legge di conversione dell uscita binaria di una scheda di acquisizione bipolare nella corrispondente misura di ingresso. F Tenendo conto di una possibile struttura del sistema di acquisizione indicare possibili motivi di inaccuratezza. Quesito 2 F Fornire l espressione e giustificare l utilizzo della formula di Welch Satterthwaite nella estensione dell incertezza combinata di una grandezza. Quesito 3 F Descrivere il principio di trasduzione capacitivo applicato ad un microfono Quesito 4 Si dispone di un traduttore potenziometrico lineare. Si chiede di suggerire: F Una procedura per eseguire la sua calibrazione C Un modo per caratterizzarne e quantificarne il comportamento non lineare dovuto ad isteresi Esercizio 1 Si vuole caratterizzare il livello di rumore presente nella cabina di un elicottero usando 6 microfoni capacitivi. Considerando che la banda di interesse è di 5000 Hz e che si dispone di: scheda di acquisizione a 14 bit, 10 canali, fondo scala 0:10V o ±10V, guadagno programmabile 1, 10, 100, 1000 e velocità massima 1 Msamples/s microfoni capacitivi, banda passante Hz, sensibilità 50 mv/pa filtro dell 8 ordine programmabile in frequenza, livello rumore/segnale 0.1% a) F descrivere la procedura per determinare la frequenza di taglio dei filtri e la minima frequenza di campionamento necessarie per evitare il fenomeno di aliasing b) C determinare i valori di frequenza di taglio e di campionamento compatibili con la prova c) F determinare il tempo di osservazione necessario per ottenere una risoluzione in frequenza pari a 0.2 Hz d) F supponendo che durante il volo si prevedono valori di pressione sonora massima pari a 95dB si configurino i parametri della scheda di acquisizione (la pressione di riferimento è di 20 µpa)

6 Fondamenti di Sperimentazione Aerospaziale Prova del 15 novembre 2012 Anno Accademico Negli esercizi che prevedono un risultato numerico, PRIMA DELLO SVOLGIMENTO, il candidato descriva dettagliatamente i passi della procedura e le ipotesi di lavoro adottate Il candidato si sforzi di utilizzare una grafia chiara e facilmente leggibile o lo stampatello Modalità di valutazione: E richiesta una risposta almeno sufficiente su ogni singolo punto indicato come fondamentale (F); è consentita una singola eccezione a patto che l insufficienza non sia grave Le risposte ai punti Complementari (C) non utili per la sufficienza, concorrono alla valutazione solo se nei punti fondamentali è rispettato il requisito precedente Quesito 1 F Si intende eseguire una misura di temperatura mediante un termometro digitale. Si chiede quale tipo di distribuzione si ritiene rappresentativa della misura così eseguita e quale sia l incertezza tipo ad essa associata. Quesito 2 F Fornire l espressione e giustificare l utilizzo della formula di Welch Satterthwaite nella estensione dell incertezza combinata di una grandezza. Quesito 3 F Descrivere il principio di funzionamento di un RVDT (Rotational Voltage Variable Differential Transducer) Quesito 4 F Data una trave su due appoggi con un carico applicato in mezzeria, scegliere una disposizione di estensimetri per la misura del taglio C Elencare e giustificare i concetti utilizzati per le scelte al punto precedente Esercizio 1 Per uno strumento generico viene avanzata l ipotesi di comportamento descrivibile con un modello di primo ordine. Si chiede di: a) F Suggerire una procedura sperimentale per verificare che l ipotesi sia corretta b) F Elencare e descrivere tutti i passi di una procedura per la sua calibrazione c) C Suggerire quali caratteristiche fisiche dello strumento andrebbero modificate, e come, per migliorare il suo comportamento dinamico

7 Esercizio 2 Durante le prove di certificazione di un velivolo, nelle zone critiche dal punto di vista strutturale sono installati estensimetri per il rilievo di valori di deformazione puntuale, in punti e secondo direzioni assegnate. F Indicare uno schema di strumentazione per ogni singolo punto di misura compatibile con le indicazioni disponibili (non è richiesta la compensazione termica) F Indicare la distanza massima dei cavi di collegamento alla centralina estensimetrica che consenta di limitare gli effetti della loro presenza ad una variazione del 2% delle misure; si assumano estensimetri da 120 Ohm, cavi di resistività per unità di lunghezza pari a Ohm/m C Indicare una diversa architettura del sistema di acquisizione dati che permetta di avere una stazione di visualizzazione e raccolta dati ad una distanza superiore alla lunghezza dei cavi. C Indicare come si potrebbe modificare la procedura descritta al secondo punto qualora fosse richiesta la compensazione termica del ponte Esercizio 3 Durante prove in pista si vogliono rilevare misure di accelerazione, posizione e forza per un totale di 32 canali. Il campo di frequenze di interesse è 0-50 Hz. La strumentazione è di classe 0.5%. Il sistema di acquisizione multicanale è dotato di un convertitore a 12 bit, guadagno variabile ma ad amplificatore e sample&hold singoli. I tempi caratteristici del sistema di acquisizione sono: tmux=4 µs, tad=0.8 µs, tsh=1 µs, tgain=2 µs. L accuratezza globale del sistema AD è 2.0%. Si dispone di filtri antialiasing a frequenza di taglio programmabile con attenuazione di 160 db/decade e accuratezza 0.2%. Si richiede di: 1) F Indicare uno schema del sistema di acquisizione compatibile con le informazioni fornite 2) F Per lo schema descritto al punto precedente, fornire l espressione e il valore della massima frequenza di acquisizione sul singolo canale e quello per un acquisizione a 32 canali 3) F Descrivere la procedura per la corretta definizione della frequenza di acquisizione per la prova considerata, limitatamente alle informazioni disponibili, e fornirne il valore 4) F Ricavare l espressione dell incertezza del sistema di misura configurato ai punti precedenti 5) C Valutare se un sistema di telemetria con velocità di trasferimento di 120 kbit/s sia compatibile con la prova 6) C Indicare come modificare la configurazione della prova nel caso di esito negativo del punto precedente per cercare di rientrare nelle specifiche

8 Esercizio 2 E dato il sistema schematizzato in figura, paragonabile ad una frombola; assumendo con buona approssimazione la velocità angolare costante, si vuole determinare la tensione nel cavo. ω M La massa M è pari a 250 kg, è misurata con un incertezza del 2% e il suo baricentro è posto ad una distanza R dall asse di rotazione pari a 10 m, con una possibile escursione di 10 cm. Per la misura della velocità di rotazione si ricorre all uso di due fotocellule poste ad una distanza angolare di 5 (±0.01 ) a metà del cavo; ciascuna è collegata ad un cronometro; al passaggio del cavo di fronte a ciascuna fotocellula il sistema acquisisce il tempo. Vengono eseguite 7 misure che forniscono i seguenti valori: Cronometro 1 [s] Cronometro 2 [s] a) F Valutare l incertezza tipo con cui viene stimata la forza nel cavo b) C Espandere il valore determinato al punto precedente ad un livello di confidenza del 95% Esercizio 3 La prova schematizzata in figura ha come obiettivo la misura sperimentale della costante di rigidezza flessionale (EJ) della trave di lunghezza L. L F Oltre alla cella di carico per la misura della forza e ad un metro per la misura delle dimensioni, si possono utilizzare: a) trasduttore di spostamento lineare potenziometrico e relativo alimentatore b) estensimetri per la misura della deformazione e centralina estensimetrica di incertezza La procedura prevede l applicazione di un certo numero di livelli di carico F all estremo libero con l acquisizione della tabella dei valori di forza e di uscita. Si chiede di a) F descrivere una adeguata configurazione estensimetrica, comprensiva della posizione, e la relativa procedura per ricavare la costante di rigidezza flessionale b) F indicare la posizione e la modalità di installazione del trasduttore di spostamento utile agli scopi della prova e la relativa procedura per ricavare la costante di rigidezza flessionale c) C discutere l effetto del numero di passi di carico sulla qualità dell operazione d) C ricavare l espressione dell incertezza per una delle due misure di rigidezza flessionale, assumendo tutte le grandezze in gioco incerte