3 DESCRIZIONE DEL SOFTWARE PREDISPOSTO PER LA TARATURA DEL BANCO
I pendoli strumentati, di cui al capitolo precedente è stata illustrata la struttura, sono stati tarati singolarmente. Infatti, la tensione misurata ai capi del ponte di Wheastone di ogni pendolo deve essere associata al carico applicato. Occorre cioè determinare la costante di proporzionalità per ogni singolo dinamometro.
Una volta determinate tali costanti e dimostrato che il comportamento degli strumenti è lineare si è effettuata la taratura complessiva del banco con tutti i pendoli montati nei rispettivi alloggiamenti. In questo caso si fa una vera è propria verifica del funzionamento complessivo degli strumenti di misura del banco, applicando dei carichi noti alla fusoliera e andando a valutare se le misurazioni che si ottengono sono congruenti con i carichi applicati.
E’ stato necessario gia a questo punto decidere come alimentare il ponte estensimetrico, amplificare il segnale e acquisire i dati. Inizialmente è stato l’adottato lo Spider 8 della HBM, si tratta di un dispositivo elettronico di misura per la gestione e la visualizzazione dei dati, che si interfaccia con un PC (porta parallela/seriale) [5].
In figura 3.1 è riportata la vista frontale dello strumento, i tre diodi luminosi indicano che lo strumento è operativo, se il sistema è stato avviato con successo, il led verde (POWER) rimane acceso.
I led hanno il seguente significato:
• POWER (verde) Î lo Spider 8 è pronto per l’acquisizione.
• TRANSFER (giallo) Î lo Spider 8 sta inviando o ricevendo dati.
• ERROR (rosso) Î si è verificato un errore.
Figura 3.1 Pannello frontale Spider 8
Il sistema di acquisizione permesso dallo Spider 8 è di tipo dinamico, la tensione di alimentazione del trasduttore è di 2,5 Volt in corrente alternata, con una frequenza di 4800 Hz;
in figura 3.2 si riporta il retro del dispositivo al quale possono essere collegati trasduttori a ponte e semiponte estensimetrico e sorgenti di tensione continua (LVDT), in tabella 3.1 sono specificati i collegamenti possibili.
Figura 3.2 Vista del retro dello Spider 8
Tabella 3.1 Possibili collegamenti dello strumento Possibilità di collegamento Significato
Canali 0 - 7 Collegamento per trasduttore
Printer/Slave, presa a 25 poli Collegamento alla stampante, collegamento per altri Spider 8 PC/Master, presa a 25 poli Collegamento alla stampante,
collegamento per altri Spider 8 DIGITAL I/O, presa a 25 poli 8 ingressi digitali e
8 ingressi/uscite digitali RS-232-C, presa a 9 poli Collegamento a PC
13 V DC IN, presa a 4 poli Collegamento ad alimentazione esterna di corrente (rete, batteria)
Nelle attività di taratura, lo Spider 8 è stato collegato al calcolatore tramite la porta parallela LPT1 (figura 3.3) e l’acquisizione dei dati è stata realizzata mediante opportuni codici creati con software LabVIEW.
Mediante il programma “Setup” è possibile effettuare la configurazione ed il controllo dello strumento, visualizzare i valori misurati ed eseguire la taratura preliminare; in figura 3.4 è mostrato il pannello di controllo.
Figura 3.3 Collegamento Spider 8-Personal Computer tramite porta parallela
Figura 3.4 Pannello di “Setup” dello Spider 8
Mediante il programma “Setup” è possibile effettuare la configurazione ed il controllo dello strumento, visualizzare i valori misurati ed eseguire la taratura preliminare; in figura 3.4 è mostrato il pannello di controllo.
L’amplificazione fornita dallo Spider 8 purtroppo non è molto elevata: 3mV/V su ogni canale dello strumento. I valori di tensione misurati sono dell’ ordine della decina di millivolts per chilo applicato.
Si è pensato di usare, in alternativa allo Spider 8 , una centralina di amplificazione analogica a otto canali (figura 3.5), realizzata appositamente dal laboratorio elettronico del D.I.A., e una scheda di acquisizione della National Instruments PCI-6024E [12].
Figura 3.5 Centralina di amplificazione a otto canali
L’amplificazione che si ottiene in questo secondo caso è molto più elevata, purtroppo però il suo valore dipende molto dal comportamento dei circuiti e dal loro settagio in termini di guadagno e bilanciamento. Non si riesce quindi ad avere lo stesso valore di amplificazione su ogni canale, ciò ha complicato di molto le operazioni di taratura. Ad ogni modo si è scelto di adoperare la centralina di amplificazione. Lo Spider 8 è stato comunque usato per verificare inizialmente la linearità nel comportamento dei pendoli strumentati.
E’ stato quindi necessario sviluppare diversi programmi di taratura sia per l’acquisizione con lo Spider 8 che per l’acquisizione con l’amplificatore analogico.
3.1 Software di taratura per l’acquisizione con lo Spider 8 3.1.1 Codice Taratura dinamometri S8.VI
Il codice è stato sviluppato utilizzando il software LabVIEW 6.1, avvalendosi delle sub.VI riportate nello schema di figura 3.6: in bianco sono indicate quelle fornite col software e quelle appositamente create per la gestione della prova, in grigio sono rappresentate le funzioni create dalla HBM necessarie per l’utilizzo dello Spider 8 mediante LabVIEW.
Figura 3.6 Gerarchia del codice Taratura dinamometri S8.VI
La funzione Init All.VI è stata utilizzata per selezionare ed inizializzare la porta mediante la quale si acquisiscono i dati; attraverso le finestre “Port” e “Mode” sul pannello frontale (vedi figura 3.7) devono essere selezionati rispettivamente “LPT1” e “EPPMode”.
Qualora queste informazioni non fossero adeguate, si visualizza un messaggio di errore.
La funzione S8_ACQSetup.VI ha lo scopo di attivare i canali per l’acquisizione dei dati;
per selezionare i canali è necessario creare sul pannello frontale un vettore (“Channels”) di dimensione pari al numero di questi ed inserire in ogni casella il valore identificativo del canale. In questo caso dovendo acquisire da un singolo canale il vettore ha una sola dimensione. Nel caso in cui venga erroneamente selezionato un canale non collegato allo Spider8, si visualizza un messaggio di errore.
L’acquisizione si avvia con la funzione S8_ACQStart.VI alla quale è necessario fornire gli input “Count” e “MeasRate” che rappresentano rispettivamente il numero totale di misurazioni da effettuare per ogni canale (nel presente caso è stato assegnato il valore 1000) e la frequenza di misurazione (50 Hz).
La sequenza prosegue con la S8_ACQRead.VI che ha il compito di effettuare la lettura dei dati dai canali di acquisizione relativi all’ingresso “Channels” con le modalità selezionate in S8_ACQSetup.VI e S8_ACQStart.VI. In uscita si ha un buffer di memoria contenente tutti i valori misurati.
La funzione S8_ACQStop.VI conclude la sequenza di sub.VI necessarie per l’acquisizione mediante lo Spider 8, dopo l’attivazione di questa sub.VI non viene letto nessun altro dato se non ripetendo l’intera procedura.
Figura 3.7 Pannello frontale Taratura dinamometri S8.VI
Le funzioni S8_TareSetup.VI e S8_Tare.VI consentono l’azzeramento iniziale del segnale in entrata in modo che a carico nullo lo strumento segni una tensione media misurata nulla.
L’acquisizione del segnale proveniente dal dinamometro avviene in condizioni statiche, dei mille dati acquisiti viene effettuata la media, si ottiene così un solo valore rappresentativo della tensione misurata.
Il valore del carico di taratura viene inserito, ad ogni step, nel front pannel nella finestra
“CARICO DI TARA (Kg)”. La tensione media calcolata viene visualizzata nella finestra
“Uscita ponte (V)” . La costante di proporzionalità del pendolo strumentato viene calcolata dal software e compare nella finestra “Costante dinamometro (Kg/V)”.
Sul front pannel sono presenti tre “array” :”Kg”, “V”, “Kg/V” , su cui vengono visualizzati rispettivamente i valori di carico applicato, tensione media misurata e costante del pendolo, per tutti gli step di taratura. Per memorizzare e trasferire i valori delle array da un’
iterazione alla successiva sono stati adottati tre shift register sul ciclo While di uscita .
Per controllare, durante la taratura, la linearità del comportamento del dinamometro sulla parte sinistra del front pannel è stato riportato un grafico che visualizza i carichi di taratura e le relative tensioni medie. In questo modo un eventuale perdita di linearità dello strumento può essere immediatamente rilevata.
Il codice crea un file gestibile con software Excel in cui vengono salvati tutti i dati acquisiti ed elaborati: carichi applicati, tensioni medie misurate e costanti di proporzionalità ricavate. La scrittura su disco viene eseguita mediante la funzione Scrive su file.VI che colloca i dati sul file sistemandoli su colonne.
Avviato il codice si assegna il carico di tara, l’acquisizione viene effettuata agendo sull’interruttore “Start Measurement” posto sul pannello frontale, il tempo necessario alle operazioni di misurazione è scandito dall’accensione del segnale luminoso, finita l’acquisizione si può cambiare il carico di tara assegnando il nuovo input e agendo nuovamente sull’interruttore avviare il successivo step di taratura .Una volta terminata la sequenza di taratura attraverso l’interruttore “Stop” si esce dal codice e si salvano i risultati.
3.1.2 Codice Taratura banco S8.VI .
Il codice è stato ottenuto utilizzando sempre il software LabVIEW 6.1. Le sub.VI usate, riportate nello schema di figura 3.8, sono le stesse usate nel codice Taratura dinamometri S8.VI. Per la loro descrizione si rimanda quindi al paragrafo 3.1.1.
Figura 3.8 Gerarchia del codice Taratura banco S8.VI
Analogamente al caso precedente, al numero totale di misurazioni da effettuare per ogni canale è assegnato il valore 1000 e la frequenza di campionamento è di 50Hz. A differenza del caso precedente i canali predisposti per l’acquisizione sono 6, numerati da 0 a 5 e collegati ciascuno ai 6 dinamometri.
Il valore dei carichi di taratura viene inserito nelle finestre “CARICHI DI TARA (Kg)”
del front pannel. Come si vede in figura 3.9 le finestre sono 6: 3 per le forze e 3 per i momenti che vengono applicati dall’esterno lungo gli assi del sistema di riferimento “Body” solidale al velivolo.
Figura 3.9 Pannello frontale Taratura banco S8.VI
Nelle 6 finestre “costanti (Kg)”, disposte a sinistra sul front pannel, vengono inserite le costanti di proporzionalità ricavate precedentemente dalla taratura sui singoli dinamometri.
Ancora sulla parte sinistra del front pannel troviamo due array : “B matrix” e “ C matrix” in cui devono essere inserite le matrici di calibrazione B e C, che trasformano, rispettivamente, le forze medie misurate sui dinamometri in forze e momenti nel sistema di riferimento
“Ground” e le forze e i momenti del sistema “ Body” nel sistema “Ground” . Il codice , il cui fine è calcolare le forze e i momenti nel sistema “ Body”, utilizza le funzioni appositamente create Trasforma (Din-Ground).VI e Trasforma (Ground-Body).VI disposte in cascata, come mostrato nello schema seguente.
forze dinamometri forze sistema Ground forze sistema Body
Matrice B Matrice C
Trasforma (Din- Ground).VI
Trasforma (Din- Ground).VI
Nell’ultima funzione la matrice C viene invertita mediante la funzione Inverse Matrix.VI fornita dal LabVIEW in modo da ottenere in uscita le forze nel sistema Body .
Sulla parte destra del front pannel sono disposte le finestre: “Forze sui Dinamometri (kg)”, “Forze nel sistema Body (Kg) o (Kg*m)” e “Forze nel sistema Ground (Kg) o (Kg*m)” dove compaiono le varie forze calcolate nei rispettivi sistemi di riferimento. Si ottiene così una panoramica completa del comportamento del codice, in modo da poter meglio settare le matrici di calibrazione. Ancora sulla parte destra del front pannel sono state disposte le finestre "ERRORE (Kg)” in cui viene visualizzato l’errore tra i carichi introdotti e le forze misurate sul sistema “Body”.
Anche in questo caso viene creato dal codice un file gestibile con software Excel in cui vengono salvati i dati acquisiti ed elaborati. La scrittura su disco viene eseguita mediante la funzione Scrive su file.VI che, a differenza del codice precedente, è stata posta all’interno del ciclo While di uscita. In questo modo i dati possono essere salvati senza interrompere il programma.
Dopo aver avviato il codice si assegnano gli input necessari: carichi di tara, costanti di proporzionalità e matrici di calibrazione. L’acquisizione viene effettuata agendo sull’interruttore “Start Measurement” posto sul pannello frontale, il tempo necessario alle operazioni di misurazione è scandito dall’ accensione del segnale luminoso. Finita l’acquisizione e l’elaborazione dei dati i risultati vengono salvati su file. Possono essere assegnati a questo punto i nuovi valori di input; agendo nuovamente sull’interruttore “Start Measurement” viene avviato lo step di taratura successivo.
Una volta terminate le operazioni di taratura si esce dal codice azionando l’interruttore “ Stop“.
3.2 Software di taratura per l’acquisizione con amplificazione analogica
3.2.1 Codice Taratura dinamometri AA.VI
Il codice è stato sviluppato con il software LabVIEW 6.1 avvalendosi delle sub.VI riportate nello schema di figura 3.10. I segnali analogici provenienti dalla centralina vengono convertiti in digitale mediante la scheda della NI e disposti sugli opportuni canali.
Figura 3.10 Gerarchia del codice Taratura dinamometri AA.VI
Dovendo tarare un dinamometro per volta il codice utilizza un solo canale. E’ stata usata quindi la funzione, fornita col software LabVIEW, AI Acuire Waveform.VI che esegue tutte le operazioni necessarie per effettuare l’acquisizione dati su un singolo canale. Attraverso le finestre “Scan rate” e “Numero di punti acquisiti”, presenti sul pannello frontale (figura 3.11), vengono introdotti rispettivamente la frequenza di acquisizione prevista (10000 ) e il numero di punti acquisiti (1000).
L’aspetto e le funzioni del front pannel sono del tutto analoghe a quelle del codice Taratura dinamometri S8.VI. Per la descrizione quindi si rimanda al paragrafo 3.1.1.
Figura 3.11 Pannello frontale Taratura dinamometri AA.VI
3.2.2 Codice Taratura banco AA.VI
Il codice è stato sviluppato ancora con il software LabVIEW 6.1 avvalendosi delle sub.VI riportate nello schema di figura 3.12. I segnali analogici provenienti dalla centralina vengono convertiti in digitale mediante la scheda PCI-6024E della NI e disposti sugli opportuni canali.
Figura 3.12 Gerarchia del codice Taratura banco AA.VI
Il codice deve acquisire i dati provenienti dai 6 dinamometri. Sono stati quindi predisposti cinque canali per l’acquisizione, numerati da 0 a 5. A tale scopo è stata usata la funzione, fornita col software LabVIEW, AI Acuire Waveforms.VI che esegue le operazioni necessarie per l’acquisizione su più canali.
Frequenza di acquisizione e numero di punti di acquisizione vengono introdotti sul front pannel attraverso le apposite finestre come per il codice illustrato nel paragrafo precedente.
L’aspetto e le funzioni del front pannel sono identiche a quelle viste per il codice Taratura banco S8.VI. Per la descrizione si rimanda quindi al paragrafo 3.1.2.
