8. Sonde utilizzabili
In questo capitolo, dopo aver descritto i requisiti tecnici che i sensori devono soddisfare, verranno descritte le sonde che sono state prese in considerazione.
Nell’ultimo paragrafo, in base alle considerazioni che saranno sviluppate, sarà scelto lo strumento che risulterà più idoneo.
8.1 Requisiti tecnici per le sonde
Come detto nel capitolo precedente, le sonde devono essere capaci di operare in acqua di mare a 5-6 metri di profondità (pressione e temperatura) con una corrente asintotica di circa 10 nodi.
In termini tecnici significa che devono essere capaci di operare in maniera affidabile nelle seguenti condizioni:
Acqua salata
( )
0<PAssoluta <max PTotale 0° < < °C T 30 C
Per valutare il massimo della pressione dinamica si assume una profondità di 5 metri ed una velocità di 10 knt.
Dalle seguenti considerazioni si ottiene il valore cercato.
( )
2 2
2
. .
5 . .
1 Atm
0.5 Atm
1.5 Atm 1.52 10 pa
S L
H O H O
Statica S L H O
P
P g z
P P P
ρ
=
∆ = ⋅ ⋅ ∆
= + ∆ ⋅
2
1 2
2
10 knt 5.144 m/s 13230, 4 Pa
Dinamica H O
Dinamica
P U
U P
ρ ∞
∞
= ⋅ ⋅
=
=
( )
165258 Pa 23,96 psi
Totale Statica Dinamica
P =P +P =
Qualora con il sensore si vogliano investigare le fluttuazioni presenti nello strato limite turbolento, questo deve avere un’adeguata risposta in frequenza, che si assume dell’ordine dei kHz.
8.2 Sonde utilizzabili
In questo paragrafo, verranno descritte le sonde che sono state prese in esame.
In base alle considerazioni riguardanti le differenti caratteristiche dello strato limite laminare e turbolento svolte nel capitolo 6, e dopo un’attenta analisi del mercato, le uniche tecniche sperimentali utilizzabili sono risultate l’anemometria a filo caldo, e particolari misure di pressione.
Entrambe queste misure, sono tese all’analisi delle fluttuazioni delle grandezze che caratterizzano il flusso.
L’analisi di tali fluttuazioni, intesa come analisi dei segali dati dagli strumenti, può mettere in luce il regime di flusso all’interno dello strato limite.
8.2.1 Senflex Hot film sensors
I multi-element hot-film sensor, sono prodotti dalla Senflex e sono particolarmente indicati per identificare il regime di flusso su di una superficie (laminare o turbolento).
Fig. 8.1 Hot-film sensor prodotto dalla Senflex
Il schema di funzionamento è quello classico dell’anemometria a filo caldo, secondo il quale, la resistenza elettrica dell’elemento sensibile è legata, secondo un’opportuna curva di calibrazione, alla velocità del fluido intorno ad esso.
Queste sonde consistono in sottili membrane da incollare alla superficie all’interno delle quali è inserito l’elemento sensibile che in questo caso è un film caldo.
Questi sensori sono molto flessibili e possono essere facilmente applicati ad una superficie curva.
Il produttore consiglia di utilizzare particolari adesivi indicandone tipologia e produttore, MAC film IF-2043 [3].
La risposta in frequenza garantita è elevata (>450 kHz) e la geometria della sonda garantisce piccole perturbazioni del campo.
I sensori sono utilizzabili anche con un anemometro a temperatura costante (CTA) ma, particolarmente in casi in acqua, la Senflex consiglia l’utilizzo dei suoi sensori accoppiandoli con l’anemometro a voltaggio costante (CVA) da loro sviluppato (multi-channel Hot-Film Constant Voltage Anemometer, HF-CVA).
Fig. 8.2 Esempio di applicazione di un Hot-film sensor della Senflex
Il CVA è infatti capace di limitare la corrente che passa attraverso il sensore diminuendo la probabilità che questo si guasti.
La Senflex, infatti, ci ha comunicato che è abbastanza facile che i suoi sensori utilizzati in acqua con un CTA si danneggino irreparabilmente.
Fig. 8.3 Constant Voltage Anemometer (CVA) a 16 canali prodotto dalla Senflex
I CVA prodotti dalla Senflex sono in versioni da 2, 4, 8, 16 e 32 canali.
Il CVA deve essere alimentato a corrente costante ed è consigliato per usi esterni, dato che è già stato utilizzato in precedenza, un generatore prodotto dalla honda (Model: EU2000i).
Fig. 8.4 Generatore Honda consigliato per alimentare i CVA Senflex
Per il nostro scopo sarebbero necessari un minimo di otto canali con otto sonde associate da distribuire lungo la geometria in esame.
Il sistema appena descritto, (generatore honda, multi-channel CVA Senflex, hot-film sensor Senflex), è già stato utilizzato da più consorzi di Coppa America (Alinghi e altri) per la valutazione del punto di transizione dello strato limite in prove full-scale in mare aperto.
La stessa strumentazione può essere utilizzata per la valutazione del punto di separazione e di eventuale riattaccamento dello strato limite.
Il preventivo per questo impianto fornitoci dalla Tao Systems è il seguente.
N° Prezzo ($)
Single Element Sensor 10 625
CVA 8 Canali 1 30920
Generatore 1 1079
Totale 32624
Con l’impianto appena descritto si potrebbero quindi usare un massimo di 8 sonde con un prezzo minimo per sonda di circa 4078 $ per sonda.
8.2.2 Micro-trasduttori di pressione
Le fluttuazioni presenti nello strato limite turbolento possono essere catturate anche con dei micro- trasduttori di pressione applicabili direttamente sulla superficie.
Alcuni di questi sono prodotti dalla Entran® e sono visibili in figura 8.5.
Fig. 8.5 Trasduttori EPL prodotta dalla Entran
Questi sensori sono in grado di mettere in luce le fluttuazioni di pressione presenti nello strato limite grazie alla loro elevata risposta in frequenza (>40 kHz) ed alle loro piccole dimensioni.
Il segnale di questi sensori, prima di essere acquisito deve passare attraverso un amplificatore; la Entran, ci ha proposto anche degli amplificatori portatili alimentabili a batteria (Fig. 8.6).
Fig. 8.6 Small In-Line Amplifier for Fixed Excitation Entran (IAM)
Le caratteristiche tecniche degli strumenti Entran proposti, sono riportate in Appendice II.
Il preventivo pervenutoci è riportato di seguito.
N° Prezzo (Euro IVA esclusa)
EPL-D01-5P 1 580
IAM-15/10/500-WW 1 310
Totale 890
I micro-trasduttori di pressione, possono essere utilizzati in numero variabile ed il loro prezzo rimane al più di 890 Euro Iva esclusa per sensore.
8.2.3 Hot film sensors convenzionali
Un’altra possibilità per le misure da effettuare, sarebbe quella di utilizzare delle sonde a film caldo per lo strato limite convenzionali (Fig. 8.7) alle quali accoppiare un supporto da applicare direttamente sul bulbo.
Fig. 8.7 Sonda a film caldo convenzionale per misure nello strato limite (Dantec)
Per questo è stato effettuato un progetto preliminare che è visibile in figura 8.8.
Fig. 8.8 Progetto preliminare del supporto per sonde convenzionali
Dopo un’intensa analisi di mercato, si è scoperto che la Dantec [2] produce, oltre alle sonde descritte in precedenza, anche degli anemometri portatili alimentabili a batteria [Fig. 8.9].
Fig. 8.9 MiniCTA Dantec
Il preventive per il sistema di acquisizione appena descritto è riportato di seguito.
N° Prezzo (Euro)
Boundary layer probe 1 542
MiniCTA 1 1921
Totale 2463
Ovviamente queste sonde potrebbero essere utilizzate anche con un CTA multicanale, diminuendo forse il prezzo per sonda ma richiedendo sicuramente un generatore per l’alimentazione.
8.3 Scelta della sonda
A parità di altri fattori, una misura diretta è, in generale, preferibile rispetto ad una indiretta perché meno sensibile ai vari parametri che descrivono il problema in esame.
Le procedure di misura che si basano sulla convezione sono fortemente indirette quindi molto sensibili a tutti i parametri dai quali questa dipende.
(Re, Pr, , , ,...) Nu= f Gr D ∆T
Se infatti in uno strato limite laminare incomprimibile (es. acqua) vi fossero una variazioni di temperatura della corrente asintotica, causerebbero una variazione del segnale di una sonda a filo caldo che potrebbero essere male interpretate, come variazioni di velocità, considerando lo strato limite turbolento.
Un trasduttore di pressione invece, utilizzando una misura diretta, è esente da questi possibili errori perché la sua curva di calibrazione è costante mentre quella di una sonda a filo caldo è fortemente dipendente dalle condizioni del flusso.
La precedente considerazione unita ad una perturbazione del flusso accettabile ed al prezzo sensibilmente inferiore rispetto alle altre opzioni, ci ha portato a scegliere di utilizzare i traduttori di pressione.
Per effettuare la scelta è stato utilizzato il metodo della “house of quality” come è possibile osservare nella seguente tabella.
Priorità 1-4 Punteggio 1-10
Senflex
HFS
Dantec BLP
Entran EPL Perturbazione del flusso 4 10 (40) 3 (12) 8 (32)
Costo 3 2 (6) 8 (24) 9 (27)
Complessità della misura 2 5 (10) 5 (10) 8 (16)
Rischio di insuccesso 4 10 (40) 6 (24) 8 (32)
Totale
ΣPunt.XPrior.
96 70 107
Nel prossimo capitolo, ci occuperemo del posizionamento di tali sonde su di una geometria plausibile.
Non avendo però esempi di utilizzo di tali trasduttori per la diagnosi del flusso all’interno dello strato limite, si è deciso di effettuare una campagna di prove sperimentali nella Galleria del vento del Laboratorio di Aerodinamica Applicata dell’Università di Pisa per verificare le reali capacità delle sonde scelte.
Tale campagna di prove, sarà tesa a confrontare i risultati ottenuti con un trasduttore di pressione Entran EPL ed un anemometro a filo caldo di cui il Laboratorio dispone; ed inoltre, sarà utile a mettere a punto la procedura di misura da seguire nella campagna di prove full-scale (Cap. 10).
Bibliografia
[1] www.tsi.com [2] www.dantec.com [3] www.senflex.com
[4] Paul Schreier “Built to win” Test & Measurement World 6/1/2003 [5] www.entran.com
[6] www.sensotec.com
