Il sistema di misura della temperatura

L’apparato di misura è stato strumentato con termocoppie corazzate con guaina metallica (diametro 0.5 mm), di tipo T (rame-costantana), alcune delle quali con giunto esposto (per una maggiore prontezza ed accuratezza di misura). Sono state utilizzate:

• una termocoppia per la misura della temperatura ambiente Tamb, utilizzata per il calcolo

della densità ρamb e quindi della portata massica aspirata dal ventilatore;

• tre termocoppie per la misura della temperatura in ingresso al canale di prova Tair,in,

media matematica dei tre valori;

• due termocoppie per la stima della temperatura in uscita al canale di prova Tair,out, data

dalla media matematica dei due valori (in realtà la temperatura in uscita verrà più correttamente valutata mediante un bilancio termico, come esposto successivamente); • tre termocoppie per la misura della temperatura all’interfaccia bakelite/isolante,

posizionate al di sotto della superficie di base in bakelite del canale di prova e al di sopra dello strato di isolante in polistirene espanso estruso. Esse sono state posizionate in tre postazioni in direzione assiale diverse ed utilizzate per valutare le dispersioni per scambio termico conduttivo al di sotto della sezione di prova e per verificare il raggiungimento delle condizioni di regime termico stazionario;

• una termocoppia per la misura della temperatura all’interfaccia isolante/isolante, posizionata tra i due strati di polistirene espanso estruso;

• una termocoppia per la misura della temperatura all’interfaccia isolante/aria, posizionata al di sotto del secondo strato di polistirene espanso estruso.

Fig. 2.9: schematizzazione della posizione delle prese di pressione, con a destra l’immagine delle due prese di pressione poste a valle della sezione di prova

Le termocoppie sono state collegate ad un sistema di acquisizione dedicato National

Instrument mostrato in Fig. 2.10. Lo strumento è dotato di una morsettiera interna per il

collegamento simultaneo di 32 termocoppie, dotate di un termistore, per gruppi di tre termocoppie, per la compensazione della temperatura.

Fig. 2.10: multimetro utilizzato per l’acquisizione dei valori di temperatura

2.4.2. La termografia a cristalli liquidi (LCT, Liquid Crystal Thermography)

La temperatura superficiale della superficie di prova (con e senza corrugazioni) è stata determinata mediante la termografia a cristalli liquidi. Un sottile foglio adesivo pre- assemblato ricoperto di cristalli liquidi è stato applicato sul lato della piastra riscaldata esposta al flusso d’aria, per misurare la temperatura locale della parete attraverso l’indicazione del colore esibito dai cristalli liquidi. Il foglio, fornito dall’azienda Hallcrest, è del tipo R30C05W e ha uno spessore complessivo di 0.15 mm: è costituito da uno strato protettivo di mylar trasparente, su cui è applicato uno strato di cristalli liquidi, uno strato di vernice nera ed uno strato di adesivo.

Il range di attivazione dei colori è compreso tra i 30°C e i 35°C, che corrispondono all’inizio della colorazione rossa ed all’inizio della colorazione blu. I cristalli liquidi sono dei composti organici, derivanti da idrocarburi, che hanno particolari proprietà di riflessione selettiva della luce visibile, al variare della temperatura. Infatti, se illuminati da luce bianca, sono in grado di riflettere una sola lunghezza d’onda, di conseguenza un solo colore. Considerando che per una lunghezza d’onda dell’ordine di 0.3 μm si ottiene un colore blu, per lunghezze intorno a 0.75 μm è visibile il colore rosso, e per valori intermedi un colore giallo-verde: la sostanza appare colorata della tonalità della corrispettiva

lunghezza d’onda di riflessione. Tale capacità varia in funzione della temperatura dei cristalli stessi. A temperature più basse, i cristalli riflettono a λ = 0.7 μm, di conseguenza mostrano un colore rosso; se invece viene aumentata la temperatura, sarà visibile prima il colore giallo, poi verde e infine il blu. All’aumentare della temperatura la lunghezza d’onda di riflessione diminuisce. In Fig. 2.11 è visibile la colorazione graduale assunta dai cristalli al variare della temperatura.

Fig. 2.11: colorazione assunta dai cristalli liquidi al variare della temperatura

Il principale limite dei cristalli liquidi è quello di mantenere il comportamento di riflessione selettiva, in un campo di temperatura molto ridotto, nel presente caso di circa 5°C, al di fuori del quale risultano trasparenti alla radiazione luminosa e quindi inutilizzabili come sensori di temperatura.

Utilizzo dei cristalli liquidi

L’analisi delle immagini ottenute mediante la tecnica dei cristalli liquidi può avvenire mediante lo studio delle componenti RGB (red, green, blue), individuando il contenuto dei tre colori primari in funzione della temperatura (Fig. 2.12).

Tuttavia, il modo più utilizzato per elaborare le immagini termografiche a cristalli liquidi prevede una conversione dal dominio RGB a quello denominato HSI, dove:

• Hue = Cromaticità

• Saturation = Saturazione • Intensity = Contrasto

La cromaticità è indicativa della tonalità di colore, la saturazione della quantità di grigio presente, il contrasto invece della luminosità. La proprietà di principale interesse, che presenta un legame definito con la temperatura, risulta essere la hue; questa sola grandezza, infatti, e non le altre, può essere direttamente correlata alla temperatura, come mostrato, a titolo di esempio, in Fig. 2.13. La curva di calibrazione riportata in figura presenta un tratto lineare e ad alta sensibilità (piccole variazioni di temperatura per larghe variazioni di hue) nella zona centrale, che rappresenta pertanto il range di cromaticità più idoneo per scopi quantitativi. In questa zona di solito la colorazione dominante è il verde nelle sue varie sfumature. Il rosso si trova nella zona a bassa T (e bassa hue), mentre il blu è presente nella parte contraddistinta dalle alte T ed alti valori di hue.

Fig. 2.13: esempio di curva di calibrazione dei cristalli liquidi

Determinando dunque per ogni punto della superficie di interesse, su cui sono applicati i cristalli liquidi, il relativo valore di cromaticità, si riesce dunque a monitorarne la temperatura. L’utilizzo dei cristalli liquidi nella sperimentazione sulle turbomacchine rappresenta un nuovo interessante approccio con notevoli margini di sviluppo. Nella

presente sperimentazione i cristalli liquidi sono stati utilizzati per ricavare il coefficiente di scambio termico con una intrusività molto limitata.

Come detto, i cristalli liquidi sono sensibili in un campo ristretto di temperatura (nel presente caso sono attivi tra 30 e 35°C) al quale corrisponde una colorazione da rosso a blu. L’utilizzo dei cristalli liquidi necessita di una semplice preparazione della superficie (asportazione di impurità per facilitarne l’applicazione) ed è compatibile con la presenza di pareti trasparenti di vetro o di plexiglass. L’analisi si basa su l’utilizzo di macchine fotografiche tradizionali, presentando dunque una risoluzione decisamente più elevata rispetto ad un’indagine con termocamera ad infrarosso.

2.5. Il sistema di alimentazione di corrente continua e di misura di