Trasduttori Argomenti: discussione di alcune tipologie di trasduttori: pressione accelerazione. 1 Misure di pressione 2 1
Manometro Tubi ad U (tipicamente utilizzati con lettura diretta da parte dell operatore, non idonei all utilizzo di sistemi di acquisizione). 3 Manometro Manometro di Bourdon: rigidezza del tubo: parametro di progetto; elementi meccanici di amplificazione; parti in movimento e limiti di linearità; volume interno relativamente alto. Trasduttore piezoelettrico: altissime portate; volume interno virtualmente nullo; necessità di alimentazione e amplificazione; misura assoluta. 4 2
Capsule aneroidi Capsule aneroidi: misura differenziale tra una pressione di riferimento e quella misurata che determina la deformazione delle pareti della camera. Possono sfruttare diverse modalità di lettura dell effetto della differenza di pressione su elementi strutturali (es. trasduttori capacitivi, LVDT, estensimetri). 5 Tubo di Pitot Il tubo di Pitot è un manometro differenziale usato come sistema di misura della velocità di volo di un aeromobile. 6 3
Tubo di Pitot Il tubo di Pitot basa il suo funzionamento sulla definizione di pressione totale. Necessita di due prese di pressione una all'estremità anteriore disposta tangenzialmente alla corrente (presa totale) t ) che legge la pressione esterna totale t e una sul corpo del tubo disposta perpendicolarmente al flusso (presa statica) che legge la sola pressione esterna statica. La differenza tra queste due pressioni, pressione dinamica, risulta essere proporzionale al quadrato del modulo della velocità del fluido da cui si può ricavare la velocità del fluido stesso. La pressione dinamica può essere ottenuta direttamente con una misura differenziale (es. utilizzando un manometro differenziale opportunamente collegato alle due prese). 7 Tubo di Pitot Generalmente i Pitot sono costruiti in modo da perturbare il meno possibile campo di moto e garantire la lettura della effettiva pressione dinamica; l approssimazione è accettabile e può essere ulteriormente migliorata con una adeguata calibrazione. Elementi di progettazione sono l individuazione dei punti migliori per il rilevamento della pressione totale e statica. La pressione totale deve essere quella del fluido alla velocità del velivolo e non deve essere influenzata dal campo aerodinamico indotto. Le pressioni devono essere misurate teoricamente nello stesso punto nello stesso istante di tempo. La misura deve essere, per quanto possibile, insensibile ibil all assetto aerodinamico del velivolo. Molto spesso le prese di pressione sono lontane tra loro, quindi possibile un ritardo temporale tra i termini dell equazione. 8 4
Misure di accelerazione 9 Accelerometri I sensori atti a misurare le accelerazioni sono detti accelerometri. Essi misurano o una sola componente di accelerazione lineare (monoassiali) o tutte e tre le componenti (triassiali). All atto pratico quest ultima tipologia di sensore può essere schematizzata come tre accelerometri monoassiali montati secondo assi mutualmente ortogonali: possibile la presenza di una sensibilità incrociata Gli accelerometri angolari sono praticamente inutilizzati. In funzione delle modalità realizzative quattro famiglie possono essere individuate: accelerometri piezoelettrici; accelerometri piezoresistivi (MEMS); accelerometri capacitivi; servo accelerometri. 10 5
Accelerometri: piezoelettrici Gli accelerometri piezoelettrici sfruttano la proprietà dei materiali piezo di generare una carica elettrica quando sono sottoposti ad una forza variabile nel tempo. L accelerazione del corpo investigato si trasferisce all accelerometro che è collegato solidale ad esso. La massa sismica all interno del sensore è soggetta ad una forza d inerzia che comprime il materiale piezo facendogli generare carica elettrica. Gli accelerometri piezoelettrici non sono in grado di rilevare le componenti statiche dell accelerazione come la gravità 11 Accelerometri: piezoelettrici q = K f = Kma VO = Kqq = KqKpma = Sva p p q: carica, f: forza, K p : cost. piezoelettrica (coeff. piezo e dimensioni), K q : guadagno carica-tensione q-v, S v : sensibilità accelerometro. La tensione in uscita è direttamente proporzionale alla forza d inerzia applicata al piezo e quindi all accelerazione, nota la massa sismica. Esistono due modalità di realizzazione: una basata sulla compressione del cristallo piezoelettrico e un altra che sfrutta le forze di taglio. F σ 3 F τ 13 Compressione: costante piezo 33 Taglio: costante piezo 51 12 6
Accelerometri: piezoresistivi Gli accelerometri piezoresistivi sfruttano l abilità di questa classe di materiali di cambiare la propria resistività elettrica quando sono soggetti ad una pressione. Analogamente ai piezoelettrici la forza viene applicata grazie ad una massa sismica che per effetto dell accelerazione che si misura applica delle forze d inerzia al materiale. L effetto piezoresistivo viene sfruttato anche applicando due strati piezoresistivi sulle facce superiori ed inferiori di un elemento deformabile, caricato a flessione, e collegati ad un ponte di Wheatstone. Esso si comporta come un estensimetro e genera una variazione della tensione proporzionale alla forza d inerzia generata dall accelerazione. I materiali piezoresistivi sono idonei per la misura sia di accelerazioni statiche che variabili. Trave a sbalzo Corpo accelerato Massa sismica Fluido smorzante Accelerazione 13 Accelerometri: capacitivi Il movimento del corpo mobile determina la variazione della capacità letta fra le armature; si ha di conseguenza la generazione di una tensione in uscita proporzionale all accelerazione. Una tipologia di capacitivi in forte espansione è quella dei MEMS (Micro Electro Mechanical System) che prodotta dall industria elettronica combina basso costo a ridottissimo ingombro. Accelerazione imposta Colleg. elettrico Elettronica Molla di Armature reazione condensatore Elemento sensibile 14 7
Accelerometri: servoaccelerometri I servo accelerometri differiscono da tutti gli altri modelli poiché hanno una modalità di lavoro per azzeramento. L uscita di misura è proporzionale all intervento necessario per eliminare il movimento della massa sismica indotto dall accelerazione. accelerazione. Questo strumento è molto più complesso dal punto di vista realizzativo poiché necessita di: sensori / attuatori / sistema di retroazione; logica di retroazione rapida. 15 Accelerometri: servoaccelerometri Rispetto ad un trasduttore di altra natura: costo verosimilmente più elevato; precisione verosimilmente più alta; risposta dinamica in genere assai limitata; maggiori dimensioni e peso. CONTROLLER I servo accelerometri sono in grado di rilevare la componente statica dell accelerazione. 16 8
Da ricordare Possibili realizzazioni di trasduttori a partire dai principi fisici. La realizzazione pratica di un trasduttore può comportare la presenza di imprecisioni di funzionamento che possono influenzare la qualità della misura e uno scostamento dal comportamento ideale. Esistono effetti sulla misura legati all installazione e all utilizzo del trasduttore. Come gestire la scelta dei componenti più adatti ad una attività sperimentale. 17 Da ricordare Come scegliere uno schema di strumentazione estensimetrica, in funzione delle esigenze e compatibilmente con le indicazioni disponibili. Come ricavare l espressione della sensibilità nominale del ponte. Come fornire i valori attesi delle tensioni di misura data una stima delle deformazioni previste. Come valutare l effetto dei cavi sulla qualità di misura. Qual è l espressione della sensibilità del ponte tenendo conto della presenza dei cavi. Come valutare la lunghezza dei cavi massima per mantenere la differenza di tali valori sotto ad una soglia ammessa. 18 9
Cosa sappiamo e sappiamo fare? Esercizio 3 del 12 settembre 2012 Su di una struttura sono incollati, in configurazione ad un quarto di ponte estensimetri di resistenza nominale pari a 120W (±0.8%) e gauge factor 2.1 (±1.0%). Per la misura si dispone di una centralina estensimetrica, di una alimentazione a 10V (±0.5%) e di un voltmetro da ritenersi ideale. I cavi della lunghezza di 10m hanno un diametro di 0.2mm ed il materiale di cui sono realizzati ha resistività pari a 0.018e-6 Wm. Si richiede di: F ricavare l espressione della sensibilità nominale del ponte; F ricavare l espressione della sensibilità del ponte tenendo conto della presenza dei cavi; C fornire i valori numerici delle tensioni misurate nei due casi per una deformazione di 1800 me; C valutare la lunghezza dei cavi massima per mantenere la differenza di tali valori sotto l 1%. 19 Cosa sappiamo e sappiamo fare? Esercizio 2 del 15 novembre 2012 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 0.019 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 20 10
Qualche quesito che rimane aperto Visto che i materiali hanno dei limiti strutturali, come si dimensiona una cella di carico conoscendo la portata desiderata? Cosa succede se la coppia martinetto-cella di carico è vincolata ad una struttura non sufficientemente rigida? Perché la presa dinamica di un aliante è quasi sempre sulla deriva mentre sugli aeroplani a motore spesso è in altre posizioni (es. sotto una semiala)? 21 Domande? 22 11
Materiale integrativo 23 Elementi sugli accelerometri 24 12
Misure di accelerazione Configurazioni interne di accelerometri piezoelettrici Compressione Compressione inversa Compressione Isolata A taglio 25 Misure di accelerazione Tipica risposta in frequenza di un accelerometro piezoelettrico Riduzione della banda a causa della modalità di installazione 26 13
Misure di accelerazione Qualche suggerimento per il montaggio 27 14