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Effetti di installazione
Effetti di installazione
L’installazione di uno strumento, o di un sistema di misura in genere, può
generare interferenze di varia natura con l’ambiente in cui è posto e
determinare di conseguenza alterazioni anche nella grandezza che si vuole
misurare.
In ambito sperimentale questa classe di problemi prende il nome di effetti di installazione e può prodursi e/o manifestarsi in maniera varia.
In maniera schematica si possono identificare quattro principali modalità di
manifestazione:
spaziale: non parallelismo con la componente da rilevare;
passiva: peggioramento delle caratteristiche metrologiche della
strumentazione;
attiva: alterazione del fenomeno da misurare (spesso definita intrusività);
elettrica: interferenza tra le componenti dell’apparato di misura.
Per un’analisi degli effetti di installazione non è sufficiente conoscere i soli modelli di funzionamento dei trasduttori ma è richiesto un esame razionale dell’intero insieme della prova che comprende sia le caratteristiche che le modalità di messa in opera degli strumenti.
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Effetti di installazione: spaziali
Effettuare una corretta installazione di uno strumento dal punto di vista
spaziale significa posizionarlo in una locazione e con una direzione utile
per ottenere la corretta esposizione alla grandezza da misurare
Sebbene l’affermazione possa sembrare apparentemente banale “la
corretta esposizione alla grandezza da misurare” è l’unica che può
garantire la validità della misura svolta.
Esempio: il caso forse più frequente di errore di installazione di tipo
spaziale è l’allineamento (es. accelerometro o sensore di spostamento).
Sebbene frequente il suo contributo all’errore di misura risulta comunque
essere poco significativo: questo tipo di errore è proporzionale al coseno
del disallineamento che per angoli piccoli è prossimo all’unità.
Per 5°di disallineamento il coseno vale 0.9962 originado un errore
inferiore al 0.4%
Gli errori di disallineamento sono in genere facilmente individuabili e
correggibili.
Effetti di installazione: spaziali
Un effetto di installazione
spaziale, tipico del campo
aeronautico, è quello che
affligge il sistema di misura
della velocità di volo di un
aeromobile, il tubo di Pitot.
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Effetti di installazione: spaziali
Tubo con sola
presa di totale
Presa statica in
fusoliera
La geometria del velivolo altera il campo di flusso aerodinamico da cui
deriva la necessità di un corretto posizionamento del sensore per
garantire la significatività della misura.
Le assunzioni che permettono di derivare la velocità del velivolo a partire
dalle misure di pressione svolte dal Pitot valgono in teoria solo per un
flusso allineato con la sonda. Nella realtà sia il punto di lettura della
pressione totale che quello della statica si spostano in funzione
dell’incidenza.
Entro certi limiti un’adeguata calibrazione può essere sufficiente per
mantenere questo errore entro limiti accettabili altrimenti può essere
necessario uno schema più complesso in cui le prese vengono separate.
Effetti di installazione: passivi/spazialiUn effetto di installazione che è dipendente dalla locazione del sensore
ma si riflette in un effetto di diminuzione della qualità dello strumento è
quello che concerne gli estensimetri.
L’estensimetro fornisce una variazione di resistenza proporzionale al
valore medio della deformazione nell’area da lui coperta per cui
dovrebbe essere installato in zone a deformazione uniforme: l’effetto
di media sulle deformazioni è comunque generalmente trascurabile
viste le dimensioni del sensore.
Per applicazioni speciali sono disponibili estensimetri di dimensioni
particolarmente contenute, spesso in schiere.
Def. effettiva
Def. indicata
Def. effettiva
Def. indicata
Def. picco
Def. effettiva
Def. indicata
SI
NONO
Resistenza DimLunghezza
griglia
Larghezza
griglia
120 Ω mm 3.10 2.65
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Effetti di installazione: passivi/spaziali
La mancanza di uniformità della deformazione nel punto di installazione è
più critico nel caso di estensimetri a griglia multipla (rosette) che leggono
la deformazione idealmente nello stesso punto ma in direzioni differenti.
Con una rosetta a griglie separate la zona
di installazione deve essere realmente a
stato di sforzo uniforme
Con una rosetta a griglie sovrapposte il problema è
in parte risolto.
Quest’ultima soluzione può però introdurre una
dipendenza della lettura dalla posizione nello
spessore delle griglie
Gli elementi esterni sono soggetti ad una
deformazione minore a causa della diffusione della
deformazione dal valore imposto all’incollaggio a
quello che si ha sulla superficie superiore: con uno
spessore limitato l’effetto è trascurabile.
Intrusività
Tutto ciò che determina una modifica della misura o una variazione della grandezza da misurare può essere classificato come intrusivo
Per come è stata definita l’intrusività riduce la qualità della misura pertanto deve essere contenuta entro limiti accettabili dato che, normalmente, non può essere totalmente eliminata.
In fase di progetto, tra tutte le cause di incertezza, dovranno essere considerate anche quelle relative all’intrusività del sistema di misura e del suo allestimento.
Limitazioni sull’intrusività si possono tradurre in specifiche di dimensionamento dei vari elementi.
In fase di utilizzo occorrerà verificare il rispetto dei vincoli di progetto.
Matematicamente l’intrusività può essere valutata come:
ideale
idealemisurato
Valore
ValoreValoreàIntrusivit
−=
ed è spesso espressa in percentuale.
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Intrusività: accelerometro
Esempi: accelerometro
L’aggiunta di un accelerometro modifica in maniera significativa il fenomeno dinamico se la sua massa diventa importante in relazione a quella dell’oggetto del quale si vogliono rilevare le accelerazioni
Questo vale sia in termini globali, con riferimento alla massa totale, che locali, in relazione alla massa ridotta al punto di applicazione dell’accelerometro: nascita di modi di vibrare locali a frequenze relativamente basse
Nel caso di prove dinamiche di strutture aeronautiche è buona norma posizionare gli accelerometri in punti della struttura dotati di discreta rigidezza, es. sul rivestimento in corrispondenza di una centina o di un longherone e non nel mezzo di un pannello sottile
Intrusività: installazione di accelerometri
Tipica risposta in frequenza di un
accelerometro piezoelettrico
Riduzione della banda a causa
della modalità di installazione
Picco dovuto al basso
smorzamentoRiduzione della frequenza
propria
(quindi della banda passante)
In tipico effetto di intrusività sulla lettura di cui risentono gli accelerometri è
quello dovuto alla metodologia di fissaggio del sensore alla struttura. Il
sistema di fissaggio funge da molla più o meno rigida alterando le
caratteristiche dinamiche del sistema accelerometro+fissaggio rispetto a
quelle del solo accelerometro.
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Intrusività: cella di carico
Esempi: cella di carico
La presenza della cella ha due effetti dal punto di vista dell’intrusività:
modifica la massa del sistema; modifica le rigidezze/cedevolezze del sistema.
Solitamente è quest’ultimo effetto ad essere più rilevante in quanto, per come lavora una qualsiasi cella di carico, essa deve essere installata direttamente nei percorsi di carico ovvero mettendo in serie la sua rigidezza a quella delle altre parti della struttura indagata.
Perché non ci sia intrusività i comportamenti statico e dinamico del sistema sotto misura, in assenza e in presenza della cella, devono essere praticamente coincidenti ma questo risulta praticamente impossibile se la struttura esaminata è iperstatica. Le forze, a causa della presenza della cella, seguono percorsi differenti inficiando parzialmente la significatività della misura. Maggiore è la rigidezza di una cella minore è la sua intrusività.
Sulle schede tecniche viene normalmente riportata la cedevolezza (compliance) della cella in forma diretta o indiretta (cedimento sotto un certo carico).
Quest’informazione deve essere utilizzata per valutare la variazione delle frequenze caratteristiche dell’apparato e delle letture effettuate.
Intrusività: cella di carico
Esempi: cella di carico (segue)
La rigidezza di una cella di carico è proporzionale alla portata.
Se si rende necessario aumentarene la rigidezza per ragioni di intrusività può accadere di dover utilizzare una cella con portata molto superiore a quanto richiesto dalla prova (si può passare da 10kN a 50 o 100kN).
Il trasduttore verrebbe quindi utilizzato per una frazione piccola della sua portata ma trattandosi di oggetti con ottime caratteristiche di linearità questo fatto non rappresenta un problema, a patto di disporre di:
una calibrazione precisa nel campo di utilizzo previsto poiché se si limita il campo d’uso la regressione eseguita sull’intera portata non può essere considerata attendibile e una ulteriore calibrazione sulla portata richiesta è necessaria;
elettronica di condizionamento del segnale a basso rumore.
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Intrusività
Esempi: cella di carico (segue)
Spesso necessario progettare celle di carico per specifiche applicazioni
Intrusività
Esempi: cella di carico (segue)
Prove di caduta carrelli:
celle per la misura del carico al suolo
celle per la misura delle forze trasmesse alla struttura
Ammortizzatore
Massa di caduta
Masse sospese
Pneumatico
Cella di carico
Piano di caduta
Massa interfaccia
Celle di carico
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Intrusività
Accelerazione massa cadente
Accelerazione del piano di caduta
Esempi: cella di carico (segue)
Prove di caduta carrelli:
Necessario verificare l’assenza di «perturbazioni» del sistema, anche sugli strumenti
Intrusività
L’apparato di prova
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Effetti tipici di installazione che si possono ricondurre a problemi di tipo
elettrico sono quelli relativi alla lunghezza dei cavi.
Effetti di installazione: elettrici
Alcuni cavi elettrici hanno un effetto di
capacitori che possono alterare la
tensione che li attraversa e limitare di
conseguenza la banda passante del
segnale portato.
La modifica del coefficiente di
sensitività di un ponte di Wheatstone
a causa dei fili che dalla struttura
portano alla centralina sono un tipico
esempio.
Un secondo effetto di installazione di tipo elettrico che si riscontra nella
sperimentazione prende il nome di effetto di carico ed è dovuto al
collegamento di uno strumento di misura reale della grandezza elettrica
(voltmetro) allo strumento.
Effetti di installazione: elettrici
Un voltmetro ideale ha resistenza infinita e
quindi non vi è assorbimento di corrente.
Un voltmetro reale, pur avendo una
resistenza interna molto alta, è in realtà
intrusivo poiché altera il circuito elettrico
inserendo un’ulteriore resistenza.
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Effetti di installazione: elettrici
Un annoso problema …. Il «giro di massa»
Cominciamo dagli effetti:
- misura di un potenziometro
- I picchi (spikes) non dovrebbero esserci (la misura corretta è la linea rossa)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Tempo [s]
Uscita p
ote
nzio
metr
o
Effetti di installazione elettrici: i “giri di massa”
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Tempo [s]
Uscita p
ote
nzio
metr
o
25 picchi in 0.5 s corrispondono ad una frequenza di 50Hz
0 50 100 150 200 250 300 3500
0.5
1
1.5
2
2.5
3x 10
4
Frequenza [Hz]
|FF
T(s
egnale
)|
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Effetti di installazione: elettrici
Una scorretta messa a massa di un circuito può portare ad accoppiamenti
che sono chiamati “giri di massa”. Questa tipologia di disturbi nasce a
causa di percorsi chiusi di connessione alla tensione di riferimento
(«massa» o «terra»), che permettono lo scorrere di una corrente. Questa
corrente a sua volta può generare altre tensioni indotte all’interno del
circuito e conseguentemente disturbi.
La connessione di massa del cavo
schermato (che fa anche da ritorno per il
segnale) genera in questo caso un “giro
di massa”, poiché è stato erroneamente
connesso a terra sia dal lato generatore
che dal lato ricevitore.
I disturbi accoppiati in questa grande spira possono poi essere indotti sul
conduttore che trasporta il segnale attraverso un accoppiamento induttivo
molto forte tra il cavo e il suo schermo.
Effetti di installazione: elettrici
I problemi derivanti dai giri di massa riguardano anche la possibilità
che le varie masse non siano esattamente allo stesso potenziale.
Questa eventualità, che si ritrova normalmente nei circuiti reali, è molto
problematica in quanto il percorso di massa è normalmente a bassa
impedenza, per cui anche piccole variazioni di tensione possono
indurre intensi campi magnetici di disturbo.
Per evitare questi problemi di “giri di massa”, è buona norma
connettere gli schermi a terra solo da un lato.
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I “giri di massa”
Potenziometro Altri strumenti
Sistema
ADAlimentatore
Rete elettrica
Partizionatore
Domande?
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Approfondimenti:
Tecniche di installazione
Sensore lineare con corpo mobile semplicemente
appoggiato:
introduzione di una forza di contatto limitata (pari al
peso del cursore);
contatto garantito solo se il peso ha componente nella
direzione di misura;
problema di saltellamento se il corpo vibra con
accelerazione maggiore di quella di gravità (non critico:
per un’oscillazione di 1 mm la frequenza è ca. 16 Hz).
Problemi di installazione di sensori lineari
L’attività sperimentale presenta modalità e tecniche di installazione dei
sensori e degli apparati di misura che sono propri di ciascun strumento e si
basano fortemente sull’esperienza pregressa maturata in laboratorio e non
codificata.
Alcuni esempi sono riportati in questo capitolo solo per evidenziare le
difficoltà pratiche che si riscontrano nell’ambito sperimentale.
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Sensore lineare con molla di precarica:
forza di contatto data dal precarico della molla;
saltellamento dipendente dalla massa della sonda,
dalla rigidezza della molla e dal suo precarico.
Esempio: precarico: 2N; massa: 0.01 kg; rigidezza: 0.1
N/mm; spostamento: 1 mm; frequenza di saltellamento:
70 Hz.
Problemi di installazione di sensori lineari
Sensore direttamente collegato all’elemento in
movimento:
assenza del saltellamento;
problemi in presenza di spostamento in direzione
trasversale (utili i potenziometri a filo per disaccoppiare
dal punto di vista elastico le direzioni di misura);
problema di allineamento nel caso di una lunga corsa
(es. ammortizzatore di un carrello).
Qualche suggerimento per il montaggio
Installazione di accelerometri
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Installazione estensimetri
E’ consigliabile l’impiego di terminali aggiuntivi per la saldatura cavi: la
presenza di un «fusibile meccanico» (il doppio cavo) fa sì che
l’estensimetro non si rovini a seguito di uno strappo accidentale che rompa
il cavo
I requisiti di intrusività possono influenzare la scelta della strumentazione.
I criteri di selezione di uno strumento da impiegare in una prova sono:
• compatibilità dello strumento con la prova;
• livello di Intrusività dello strumento con il sistema in esame;
• compatibilità con i requisiti di accuratezza (tra questi anche quelli di
sensibilità trasversale);
• compatibilità delle uscite con il sistema di misura/visualizzazione dati;
• necessità di alimentazione/condizionamento;
• compatibilità ambientale;
• costo;
• familiarità nell’uso.
Può risultare utile organizzare le informazioni in una tabella/matrice
che permette di individuare facilmente gli elementi che soddisfano al
meglio tutti i requisiti.
Criteri generali per la selezione di uno strumento
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Domande?
