3. APPARATO SPERIMENTALE
3.1 Introduzione
L’apparato sperimentale messo a punto per lo studio del fenomeno di atomizzazione secondaria è riportato in figura 3.1. Si può dividere l’attrezzatura in due macro unità funzionali: il gruppo di acquisizione (evidenziato in verde), comprendente sia il gruppo registrazioni immagini che il sistema ottico di visione, e il gruppo generazione di bolle (evidenziato in rosso).
Fig. 3.1 – Apparato sperimentale: si nota il gruppo generazione bolle (cerchiato in rosso) e il gruppo di acquisizione (cerchiato in verde).
La generazione della bolla di azoto avviene per mezzo di un ugello, collegato tramite un regolatore di portata, alla bombola del gas in pressione. L’ugello è collocato al centro della scatola di Lexan contenente il fluido. Sono presenti anche una termocoppia per la misura della temperatura durante le prove, e un foro, collegato ad un rubinetto, per permettere lo svuotamento del recipiente al termine della prova. Sulla stessa unità sono sistemati anche le lampade alogene, i filtri per la radiazione termica (infrarosso) e i diffusori di luce smerigliati. Il comportamento della bolla viene catturato da una telecamera ad alta velocità con velocità di inquadratura 1000fps (frame per secondo), tempo di esposizione pari a 214 μs, e risoluzione pari a 512x512 pixels. Pur usando una sola telecamera, grazie al sistema ottico di visione progettato, si riescono ad ottenere sullo stesso fotogramma due immagini distinte, prese da diverse angolazioni, del comportamento della bolla. In particolare, inclinando il supporto ottico degli specchi, è possibile osservare l’impatto della bolla sia da sotto che da sopra la superficie ottenendo una visione globale del fenomeno. L’inclinazione, pertanto, è assolutamente necessaria ai nostri scopi, altrimenti non si vedrebbe la superficie libera a causa del menisco sulla parete della scatola. Ovviamente a tale risultato si poteva giungere usando due telecamere distinte, evitando così l’ideazione del sistema ottico di visione, la cui messa a punto ha richiesto tempo e ingegno contemplando la risoluzione di molti problemi imposti da vincoli di natura ottica. Tuttavia l’impiego di una sola telecamera, oltre a comportare costi notevolmente inferiori dell’intera attrezzatura, offre l’indubbio vantaggio di ottenere immagini sincronizzate tra loro senza dover intraprendere successivamente una laboriosa e complessa procedura di sincronizzazione. Di seguito, in figura 3.2, si riporta un immagine tipica acquisita dalla telecamera.
Fig. 3.2 – Immagine acquisita dalla telecamera.
3.2 Gruppo acquisizione immagini
Il gruppo registrazioni immagini permette di acquisire ed elaborare le immagini del comportamento di una bolla di azoto che interagisce con la superficie libera del liquido in cui risale. L’acquisizione di tali dati è indispensabile al fine di stimare i parametri che entrano in gioco nella dinamica del contatto tra bolla e superficie.
L’intero sistema, riportato in figura 3.3, si avvale della seguente componentistica: • una telecamera Phantom ad alta velocità;
• un monitor LCD per la visualizzazione delle immagini; • due lampade alogene per aumentare la visibilità delle riprese;
• un PC su cui è installato un software in grado di salvare e elaborare le immagini acquisite.
Fig. 3.3 - Schema di montaggio del sistema di acquisizione video: in primo piano la telecamera ad alta velocità e il suo supporto, sullo sfondo il supporto ottico dei prismi e specchi.
3.2.1. Telecamera ad alta velocità
Per questo tipo di riprese è stata utilizzata una “telecamera ad alta velocità” Phantom V4.0 della Vision Research (Fig. 3.3) equipaggiata con lenti per la messa a fuoco.
La telecamera consente di acquisire 4096 fotogrammi ad una velocità di 1000 fps (frame per secondo) e una risoluzione di 512 x 512 pixel. Utilizzando la stessa telecamera ad una risoluzione ridotta, è possibile raggiungere fino a 30000 fps, diminuendo però il tempo di acquisizione nei limiti imposti dalla memoria volatile della telecamera pari a 1 GB. Il numero di fotogrammi a disposizione si ricava secondo la fomula:
ver hor n R pix pix n = 2 (1)
in cui n è il numero di bite a disposizione della telecamera, mentre al denominatore compare la risoluzione scelta espressa come il prodotto del numero dei pixel orizzontali e verticali. In particolare nel nostro caso avremo:
ver hor R pix pix n 30 2 = (2)
Ad esempio, utilizzando la telecamera con la risoluzione di 256 x 512, si possono registrare 8192 fotogrammi. Un limite alla velocità delle telecamere viene invece dalla quantità di luce a disposizione: il sensore CCD ha una sensibilità paragonabile ad una pellicola da 400 ASA e il tempo in cui l’obiettivo può restare aperto non può superare l’inverso della frequenza di acquisizione.
La telecamera è montata su un supporto che ne permette la regolazione secondo tre gradi di libertà (figura 3.3): la guida consente lo spostamento a mano in orizzontale e il conseguente bloccaggio nella posizione desiderata tramite viti; il sostegno “a pantografo” tipo Lab jack fornisce la possibilità di regolare in altezza la telecamera rispetto al banco di lavoro; infine le due cerniere, permettono di inclinare la telecamera dell’angolo necessario per recuperare il “disassamento” dei due specchietti. In particolare quest’ultima possibilità di regolazione si è rivelata decisiva per permettere la visione e la corretta messa a fuoco delle immagini. Infatti mantenedo i due specchietti in posizione orizzontale non si ottiene una corretta visione delle due immagini, che apparivano solo per altezze diverse. Ne risultava quindi un “disassamento” verticale D tra i due specchietti che è stato recuperato inclinando la telecamera di un angolo pari a atan(D/L), dove con L si indica la distanza orizzontale tra i due specchietti. Tenendo conto che D è pari a 50mm e L risulta circa 300mm, ne consegue che l’angolo di inclinazione necessario per la visione sincronizzata delle due immagini è pari a circa 9.5°, come mostrato in figura 3.4.
3.2.2. Monitor LCD
Il monitor (figura 3.5) permette di visualizzare immagini in bianco e nero ad elevato contrasto. Proprio per questo, sebbene le immagini siano visualizzabili anche su PC, si è largamente usato il monitor nelle operazioni di posizionamento e messa a fuoco delle immagini per la sua facilità di visione.
Fig. 3.5 – Monitor LCD. 3.2.3 Le lampade illuminazione bolle
Si rimanda a tal proposito al paragrafo 3.3 Sistema ottico di visione. 3.2.4. PC e software di registrazione
Il PC, collegato alla telecamera, permette tramite il software Phantom 5.0.545 fornito dalla ditta costruttrice della telecamera stessa, di acquisire e analizzare le immagini. Il tempo di acquisizione della telecamera è di circa 4 secondi, durante i quali il filmato viene salvato su una memoria volatile tramite il comando trigger. Al termine dell’acquisizione, grazie al software di elaborazione, è possibile rivedere le immagini registrate e scegliere l’intervallo dei fotogrammi di particolare interesse. A tale scopo il file così acquisito può essere scomposto in formato *.cin (formato film) oppure *.tif (formato fotogrammi) e successivamente salvato nella memoria del PC. Prima di procedere ad una nuova acquisizione è necessario liberare la memoria volatile della telecamera che non permette acquisizioni successive.
3.3 Sistema ottico di visione
Il sistema ottico di visione permette di ottenere, pur con una sola telecamera ad alta velocità, due immagini del rimbalzo della bolla sulla superficie del liquido: una visione da sotto tale superficie e un’altra da sopra. Infatti ponendo la visuale perfettamente orizzontale le immagini risultanti non avrebbero permesso l’analisi e la comprensione del fenomeno celate dal primo piano del menisco di liquido sulle pareti della scatola. Naturalmente allo stesso risultato potevamo giungere impiegando due telecamere come realizzato da Sato et al.(2007), tuttavia tale allestimento avrebbe comportato costi nettamente superiori non fornendo come contropartita un miglioramento sostanziale delle immagini acquisite. Anzi, rispetto a tale configurazione, adesso non è necessario procedere alla laboriosa operazione di sincronizzazione delle immagini Di contro la messa a punto sarebbe stata più veloce non contemplando la risoluzione di molti problemi imposti da vincoli di natura ottica. Tra essi preme ricordare il rispetto della distanza massima imposta al percorso ottico per permettere una corretta messa a fuoco dell’ugello: tale grandezza è stata ricavata sperimentalmente effettuando diverse prove, fino a coglierne una stima di circa 120mm nel caso di lenti 3x usate per la messa a fuoco delle prove con ugello da 0.3mm.
L’intero sistema viene raffigurato in figura 3.6. e si avvale dei seguenti componenti: • due prismi per convergere i fasci ottici nell’obiettivo della telecamera; • due specchietti per riflettere i fasci ottici dalla zona di contatto ai due prismi;
• due lampade alogene per consentire un illuminazione diretta dell’ambiente di prova; • una ventola di raffreddamento per limitare la dissipazione di calore delle lampade; • due filtri anti-infrarosso per schermare la radiazione termica.
Fig. 3.6 – Il sistema ottico di visione che supporta i due specchietti e i due prismi 3.3.1. I prismi
Al fine di suddividere il fascio ottico catturato dall’obiettivo della telecamera in due fasci ortogonali si sono impiegati due prismi 90° 10x10x10mm della Linos. Il posizionamento, e successivo bloccaggio, nella loro sede ha richiesto particolare precisione considerate le ridotte dimensioni degli oggetti in esame. Il bloccaggio avviene tramite due viti in TEFLON.
3.3.2. Gli specchietti
Gli specchietti, della Newport, hanno la funzione di dirottare il fascio ottico dai prismi alla zona di contatto bolla-superficie. Sono regolabili a mano intorno al loro asse orizzontale e verticale. 3.3.3. Le lampade illuminazione bolle
Le lampade alogene, la cui intensità luminosa è regolabile tramite un reostato, illuminano con luce diretta la superficie del liquido. Esse sono collocate dalla parte opposta degli specchietti al fine di risaltare il profilo delle immagini acquisite. Il loro impiego risulta indispensabile per visualizzare il liquido come un corpo azzurro e la bolla come un corpo nero, in questo modo le immagini sono molto più semplici da elaborare; tuttavia esse dissipano, per effetto Joule, una notevole quantità di calore. Ne consegue che la temperatura del liquido varia durante la prova. Tale problema è stato parzialmente risolto sia, interponendo degli opportuni filtri tra sorgente luminosa e parete della scatola, sia montando una ventola di raffreddamento. Comunque si deve sottolineare che, visto il brevissimo lasso temporale in cui avviene l’acquisizione delle immagini, tale effetto indesiderabile non viene a pregiudicare la bontà del singolo esperimento, quanto piuttosto, la possibilità di effettuare prove successive a temperatura circa costante. A tal fine le lampade venivano spente tra una prova e la successiva.
Fig. 3.8. Lampada alogena per illuminazione diretta 3.3.4. Ventola di raffreddamento
E’ composta da tre componenti assemblati tra loro tramite 4 viti autofilettanti: un ventilatore e due griglie di sicurezza. Il ventilatore di piccola potenza ma sufficiente a smaltire il calore dissipato dalle lampade durante le prove. Il ventilatore viene alimentato tramite un generatore a corrente continua con una tensione di 12 V e svolge la sua funzione in una quasi totale assenza di rumore. Da ultimo viene fissato sul ventilatore una griglia protettiva in acciaio, per rendere meno accessibile la zona ventola rotante. Il tutto è montato su un supporto regolabile in altezza per migliorare la direzionalità del getto. In Fig. 3.9 viene mostrata un’ immagine che chiarisce la descrizione fatta sopra.
3.3.5. Filtri
Tra lo specchietto e la zona di contatto bolla superficie è collocato un vetrino per infrarosso con lo scopo di tagliare la componente termica ed evitare il riscaldamento, dovuto alla dissipazione della lampada, della parete di Lexan della scatola e del fluido. Inoltre è sistemato anche un diffusore
di luce in vetro smerigliato per uniformare la luminosità delle lampade alogene, come appare in figura 3.10.
Fig. 3.9 Ventilatore su supporto regolabile.
Fig. 3.10 – Filtri: in primo piano il vetrino infrarosso, dietro il vetro smerigliato parzialmente oscurato con della pellicola di alluminio
3.4 Gruppo generazione bolle
Il gruppo generazione bolle ha lo scopo di generare e regolare il flusso di bolle di azoto all’interno del liquido. Fanno parte di questo gruppo i seguenti componenti:
• ugello emettitore di bolle;
• scatola di tenuta del fluido liquido; • regolatore di portata;
• una termocoppia.
In figura 2.14 viene raffigurato l’intero sistema. 3.4.1. Ugello emettitore bolle
L’ugello ha lo scopo di generare le bolle di azoto all’interno del liquido in esame. Sono state effettuate prove con ugelli di due diametri pari a 0.3 e 1 mm. Esso è posto al centro della scatola ed è collegato in entrata, tramite un tubino in silicone, al regolatore di portata.
3.4.2. Scatole tenuta fluido liquido
La scatola di tenuta fluido è in Lexan, che è stato preferito al più comune PVC, a causa della miglior lavorabilità e resistenza all’usura offerta. Il pezzo più semplice e di minor importanza è il tappo superiore (viene rimosso per introdurre il liquido) che si accoppia ad incastro con la scatola. Non essendoci contatto con il liquido, tale accoppiamento non è a tenuta stagna.
Fig. 3.11 – Gruppo generazione bolle:al centro si vede l’ugello, sulla sinistra la termocoppia, in alto il condotto di drenaggio.
Fig. 3.12 - Scatola in Lexan contenete il fluido.
Alla base della scatola, tramite incollaggio, viene collegata la piastra di appoggio a tenuta stagna accoppiata con il tappo inferiore tramite bulloni .Nel tappo inferiore in alluminio (figura. 3.12) sono presenti, oltre ai fori per il bloccaggio al pezzo intermedio della scatola, anche i 3 fori filettati (passanti) per il bloccaggio dell’ugello emettitore di bolle, della termocoppia, e del canale di drenaggio per lo svuotamento della vasca.
3.4.3. Regolatore flusso di gas
Il regolatore di portata, figura 3.13, è uno strumento che viene posto tra la bombola di azoto e l’ugello emettitore di bolle.
La sua presenza è indispensabile per garantire portata costante al flusso di gas; inoltre, essendo controllato elettricamente con un voltmetro del gruppo di regolazione, permette di leggere in uscita una tensione che corrisponde all’effettiva portata di gas immessa. In tabella 3.1 si riportano i valori (in mm3/s) della portata corrispondente ai valori di tensione usati nelle prove. Si deve precisare che sono stati impiegati due flussimetri diversi in base al valore del diametro dell’ugello utilizzato.
Fig. 3.13- Regolatore di portata dell’ azoto Flussometro usato con ugello 0,3mm Tensione (V) Portata (mm3/s) 0,5 5,4 1,5 16,1 Flussometro usato con ugello 1mm Tensione (V) Portata (mm3/s) O,5 28,6 1,5 85,9
Tab. 3.1 conversione della portata da unità elettriche a termiche. 3.4.4. Termocoppia
Un’ulteriore componente del gruppo di generazione di bolle è la termocoppia. Viene inserita dalla basa della scatola contente il liquido tramite foro filettato con guarnizione in teflon per permettere una corretta tenuta. Lo scopo della termocoppia è quello di misurare la temperatura del fluido al momento dell’acquisizione di immagini.
Il trasduttore di temperatura è a sua volta collegato ad un gruppo di condizionamento di segnale che amplificano il valore della tensione da loro fornita ed effettuano la correzione per la temperatura di giunto freddo.
