Misure mecccaniche e termiche

MEMBRANE CORRUGATE

• Diametro maggiore rispetto a quelle lisce
• Linearità anche con deflessioni maggiori al 30% dello spessore
• Utilizzate soprattutto in applicazioni statiche (riduzione della risposta dinamica provocata dalla maggiore dimensione e dalla maggiore deflessione)

Scegliamo le membrane di tipo liscio qualora ci possiamo permettere piccoli spostamenti e quindi una cedevolezza maggiore, quindi una sensibilità ridotta maggiore.

PROBLEMI:

Legati all'elemento sensibile

• Isteresi
• Non Linearità
• Resistenza Meccanica - causata da attriti ecc., può non tornare alla posizione iniziale

ISTERESI

NON LINEARITÀ

Con gli approcci sagomati ΔFreccia x non è lineare con il Δ

Buona sensibilità per piccoli

Elevato fondoscala, ma minore

sensibilità

Non è un problema poiché se la conosco posso prevederlo e

sfruttarloCosì sagomato ottengo una riduzione della linearità che mi evita che il sensore raggiunga rapidamente il fondoscala. Ottengo uno strumento molto sensibile in basso ma comunque con un range abbastanza buono. RESISTENZA MECCANICA Per aumentare la resistenza delle membrane si aggiungono rinforzi e allora si può sottoporre il sensore a pressioni p1 e p2 elevate. Se la pressione p1 o p2 diminuisce bruscamente si può però avere la rottura della membrana. Il "tappo" funziona da fine corsa, evita che si creino ulteriori scorrimenti (definisco in modo univoco il fondoscala) e mi permette di resistere a sbalzi di pressione. Se leggeremo il manuale di un sensore di pressione vi sarà la massima pressione (fondoscala) e il dato di massima pressione tollerabile (oltre la quale si rompe). TRASDUZIONE SECONDARIA Devo trasdurre la deformazione in un'uscita elettrica. - Estensimetri (solo per membrane lisce) - LVD - Capacitivi - Induttivi Come per la forza, i piùcomuni sono gli estensimetri (dove devo far di tutto per montare a ponte intero)

Come disporre gli estensimetri?

• – sono alte agli estremi, vanno a 0 e poi le deformazioni radiali ritornano ad essere alte al centro
• – sempre coerente nel segno, le deformazioni circonferenziali come in un palloncino, tendono a stirarsi

Quindi posso installare 4 estensimetri:

• 2 sopra e sotto in periferia e lungo le deformazioni radiali
• 2 estensimetri nella zona centrale, ma con andamento circonferenziale

Le 2 circonferenziali che sono concordi le collegherò su rami opposti. Analogamente quelle radiali.

La radiale e le circonferenziali le collegherò in punti adiacenti del ponte di Wheastone, in modo tale che il fatto di avere deformazioni positive nella circonferenza e deformazioni negative nelle radiali venga compensato dalla inversione di segno.

In genere non incollo la basetta sulla membrana (cambierei il sistema) - la membrana è essa stessa l'estensimetro.

CAMPO DI

MISURA – 5 – 300 bar

SENSIBILITA’ TIPICA – 2-3 mV/V (me la aspetto in V/Pa) per ogni volt che fornisco al ponte di Wheastone intermini di alimentazione ottengo 2 -3 mV qualora la pressione arrivi al fondoscala

ES: alimento a 10 V, ho un certo fondoscala ottengo 30 mV per il fondoscala (30 mV/fondoscala sensibilità)

Perché il dato viene fornito in quei termini?

Poiché posso alimentare il ponte con diversi voltaggi quindi otterrei sensibilità diverse

o Incrementando la tensione di alimentazione aumento la sensibilità

o TRASDUTTORE A SOFFIETTO CON LVDT

Soffietto che al variare della pressione sposterò indicatoremagnetico LVDT

L’accoppiata LVDT soffietto non deve sorprendere

Il soffietto si caratterizza per grandi frecce – LVDT misura benegrandi frecce

Anomalo il loro uso

Ho 2 poli, uno in cui la P maggiore ed un altro in cui va la Pminore (Se li inverto, o non funziona o si rompe)

Alcuni compatibili con i liquidi,

altri no, altri per metà

PROBLEMI – Sono strumenti a deformazione quindi hanno bassa impedenza, ovvero che Io applico una pressione e la membrana si deforma molto quindi comporterebbe alterare il sistema o posso avere non adeguate

Infatti, potendo fare l'analogia con il sistema massa molla e smorzatore; avere un trasduttore di pressione a deformazione elastica significa avere una rigidezza sostanzialmente bassa (se l'avessi alta non avrei sensibilità)

Soluzioni:

SISTEMI PIEZOELETTRICI

Rigidezza svincolata dalla prestazione elettrica, quindi avrò un dispositivo molto rigido meccanicamente, impedenza elevata, ma nonostante questo avrò una buona sensibilità poiché è un parametro elettrico

Questo comporta una risposta meccanica molto spinta, al contro non potrò misurare pressioni statiche

ES: nei motori a combustione, affacciato nella camera di combustione – necessità di vari accorgimenti, quale raffreddare ecc.

è un altro problema legato al trasduttore di pressione

Somiglia all’accelerometro, infatti, il trasduttore di pressione non è altro che un blocco di materiale piezoelettrico sul quale agisce la pressione (l’accelerometro è massa + piezo + vincolo)

Ma se aggiungo una pressione all’accelerometro oppure considererò il piezo con una sua massa e rigidità

Dal punto di vista dello schema fisico entrambe le soluzioni si riconducono allo schema! 0

In altre parole, un misuratore di pressione sente l’accelerazione di tutto il dispositivo poiché il pezzo stesso con la sua massa è sottoposto ad accelerazione, quindi la porzione di materiale accelerata agisce con la sua inerzia sul resto del materiale.

Un misuratore di pressione è una sorta di accelerometro in cui la massa inerziale è essa stessa la massa del piezo.

Quindi il piezo, se accelerato, mi darà un’uscita indesiderata.

ES: nel motore a combustione non voglio che le

vibrazioni del motore influiscano sulla misura • Non ho fatto lo stesso ragionamento sull'accelerometro poiché mi bastava una scatola per eliminare la variazione di pressione – nel misuratore di pressione non posso togliere la massa Soluzione INGRESSI OPPOSTI Associo al trasduttore un altro blocchetto di materiale piezoelettrico incapsulato che non risente della pressione La somma dei due segnali mi darà unicamente il segnale di pressione Ho aggiunto un sensore gemello che sente unicamente il disturbo e non il segnale Caratteristiche tipiche dei sensori piezoelettrici Frequenze elevate anche perché spesso si necessità di elevata banda passante Portata elevata infatti rigidezza meccanica elevata Quanti bar leggo per ogni g di accelerazione (<0.005bar/g molto buona) MISURA DI UN CAMPO DI PRESSIONE Necessità di misurare la pressione in centinaia di punti 2 tipi di approccio: • – N misure + n sensori, Tempo T PARALLELO • – Nmisure + 1 sensore che sposto in N posizioni, Tempo > N SERIALE (MULTIPLEXING) PARALLELO Vantaggi: - Tempo T più basso - Costo - N misure sincrone, quindi posso osservare transitori - Sono coerenti Svantaggi: - Non è detto tutti i sensori siano uguali Vantaggi e svantaggi si ribaltano nella soluzione multiplexing Per le misure di pressione, abbiamo parlato di 2 soluzioni: quelle ricondotte alle membrane e corpi elastici, quindi corpi che sottoposti a pressione si deformano; e i sistemi piezoelettrici - Nel caso dei sistemi piezo avrò i soliti limiti in frequenza alle basse frequenze, mentre la risposta dinamica sarà molto abbondante, sarà quella di un sistema del 2° ordine + il piezo (circa 3° ordine) - Lavorerò per #$ #&' - Mentre per gli elementi elastici avrò una risposta piatta a basse frequenze + un picco di risonanza legato ad un discorso di ordine 2 - Lavorerò per #&'

Perché di questo è legato al sistema massa molla smorzatore dove nei dispositivi elastici ho il compromesso tra impedenza e sensibilità (legati all'acedevolezza). Mentre nel caso del piezo separo rigidezza e impedenza.

Come devo installare i misuratori di pressione?

Serbatoio tipicamente con una presa di pressione nel quale metto la membrana. Faccio così poiché tipicamente il serbatoio non è accessibile.

Ma se per la risposta statica va tutto bene, per la risposta dinamica con questa soluzione si creano dei problemi, spiegazioni:

Ipotizziamo un ingresso a gradino, quindi una variazione repentina della pressione. Ci sarà un flusso di pressione che a seconda della lunghezza del tubo renderà tanto più lungo il tempo della risposta (dipende anche dal volume del serbatoio in cui si trova la membrana).

Tale situazione migliora se il tubo ha diametro grande (a parità di lunghezza maggiore è il diametro maggiore sarà la portata).

di fluido che ripristinerà l'equilibrio) La risposta del tubo deve essere migliore di quella del manometro altrimenti avrei una degradazione dell'intero sistema (il manometro è quello in blu, il tubo è in nero)

• Quindi si cerca di ottenere una massa più piccola possibile del tubo piccola lunghezza
• Il diametro deve essere il più grande possibile
• La comprimibilità del fluido gioca il suo ruolo
• Rigidezza complessiva (quindi complicanza - cedevolezza) la più alta possibile

Ovviamente il diametro gioca il suo ruolo sia nella portata che nella rigidezza. Si hanno le massime prestazioni quando L=0, ovvero la membrana a filo nel serbatoio.

FREQUENZA DI RISONANZA IN UN TUBO CONTENENTE GAS

Deve essere maggiore o uguale alla frequenza di risonanza del sensore, altrimenti degraderebbe le prestazioni.

TARATURA STATICAPer una pressione possono essere diversi approcci con cui eseguire la taratura:

• Per

confronto • A pesiTARATURA PER CONFRONTO Ho uno strumento a tarare, con a fianco uno strumento di riferimento (strumento campione – con una tecnologia qualsiasi), quello che mi dice “esattamente” la pressione Lo strumento campione deve avere un livello di incertezza 10 volte inferiore dello strumento da tarare →( strumento campione$( → strumento da tarare) • I due strumenti si trovano sulla tessa quota per evitare differenza di pressione • Il pistone pressurizza la macchina (è un torchio) • Olio – liquido più sicuro, lubrifica e dens