ITMI962489A1

ITMI962489A1 - Misuratore di flusso di un fluido

Info

Publication number: ITMI962489A1
Application number: IT96MI002489A
Authority: IT
Inventors: Marco Francesco Di; Presti Matteo Lo; Salvatore Graziani; Salvatore Baglio
Original assignee: Sgs Thomson Microelectronics
Priority date: 1996-11-28
Filing date: 1996-11-28
Publication date: 1998-05-28
Also published as: IT1286007B1; US6119529A; ITMI962489A0

Description

DESCRIZIONE

Campo,di applicazione

La presente invenzione fa riferimento ad un misuratore di flusso di un fluido e ad un corrispondente metodo di misura.

Come è ben noto, la materia allo stato fluido, vale a dire allo stato liquido o gassoso, ha una importanza vitale nella biosfera e nelle attività umane.

A esempio, nelle società ad economia prevalentemente agricola e/o pastorale l'abbondanza di acqua é forse il fattore preponderante tra quelli che determinano lo sviluppo e la prosperità. Nella società industriale, invece, diversi altri fluidi oltre all'acqua assumono una importanza estrema per favorire lo sviluppo.

Forte rilievo ha il problema del reperimento dei fluidi, il loro trattamento e la distribuzione capillare a milioni di utenti. Connesso con questi problemi vi è anche quello di come misurare la massa, il volume e la portata dei fluidi.

Negli anni sono stati sviluppati diversi sistemi di misura della portata e della velocità di un fluido; tuttavia, i sistemi attualmente presenti sul mercato sono stati sviluppati per applicazioni industriali ed hanno costi talmente elevati da renderne proibitiva la loro commercializzazione su larga scala per l'uso in applicazioni domestiche.

Arte nota

I sistemi di misura di un flusso realizzati secondo la tecnica nota sfruttano diversi principi fisici e sono molto diversi in funzione del tipo di fluido di cui si vuole misurare la velocità. In ogni caso, i sistemi di misura attualmente presenti sul mercato hanno un costo elevato e, in genere, una forma e dimensioni tali da renderne impraticabile la commercializzazione su larga scala per usi in applicazioni domestiche.

Qui di seguito vengono riassunte alcune tecniche note per la misura di velocità o portata di fluidi.

1) Tubo di Pitot .

II tubo di Pitot permette di misurare la velocità v di un fluido di cui si conosce la direzione tramite la misura della pressione in due punti di un condotto opportunamente sagomato.

La velocità v del flusso si ricava dalla seguente relazione :

2(Pstat

dove :

V é la velocità del flusso, [m/s]

p é la densità di massa del fluido, [kg/m3] pstag é la pressione di ristagno, [Pa]

patat é la pressione statica, [Pa].

Conoscendo quindi la densità P del fluido e il valore della differenza di pressione tra una pressione di ristagno pstag e una pressione statica patat, é possibile stimare la velocità v. La misura della differenza di pressione, tuttavia, é spesso soggetta a varie cause di errore. In particolare, é molto difficile misurare accuratamente la pressione statica per i seguenti motivi:

• disallineamento tra il vettore velocità e l'asse del tubo (questo espone il rilevamento della pressione statica a qualche componente di pressione dovuta alla velocità) ;

• dimensioni del diametro del tubo che alterano il normale deflusso del fluido. Le linee di flusso in prossimità della superficie del tubo sono infatti più lunghe di quelle nella zona indisturbata, ciò implica un aumento di velocità e quindi una diminuzione della pressione statica;

• influenza del tubo di supporto sulla pressione di ristagno;

· viscosità che esercita una forza addizionale nella cavità di ristagno causando una pressione di ristagno superiore a quella prevista.

2) Velocimetro Larser-Doppler.

Questo dispositivo utilizza un fascio di luce laser, che viene focalizzato sul punto dove si vuole misurare la velocità del flusso, e un "fotodetector", che rileva la luce diffusa dalle particelle estranee in sospensione che si trovano naturalmente nei fluidi non filtrati. La velocità delle particelle, supposta uguale a quella del fluido, causa una variazione nella frequenza della luce diffusa che dipende dalla velocità del fluido. Dalla misura di tale variazione si può risalire alla velocità del flusso.

I principali vantaggi di questo dispositivo sono: · non é necessario inserire alcun oggetto fisico all'interno del fluido. Il fluido risulta pertanto indisturbato nel proprio moto;

• é possibile ottenere una risposta in frequenza abbastanza elevata,·

· il volume necessario per effettuare la misura può essere abbastanza piccolo.

II dispositivo presenta però anche alcuni svantaggi :

• bisogna utilizzare canali trasparenti;

· sono necessarie all'interno del fluido particelle traccianti, quando non naturalmente presenti nel fluido; • il costo e la complessità dell'apparato sono notevoli .

3) Misuratori ad ostruzione.

Il principio più largamente usato per la costruzione di misuratori di flusso é quello di creare all'interno del tubo in cui scorre il fluido una restrizione di sezione prefissata. Questa restrizione causa una caduta di pressione che dipende dalla velocità del flusso; dalla misura di questa caduta di pressione, per la quale si può utilizzare ad esempio un adatto "pik-up" di pressione dìferenziale, si può ricavare la portata q e la velocità del flusso, secondo la seguente relazione:

P

dove

• Alf ,A2f sono le aree dove sono misurate le pressioni e p2 rispettivamente [m<2>]

• p é la densità di massa del fluido, [kg/m<3>] • Pi# P2 sono le pressioni statiche misurate nei punti del condotto aventi sezione Alf ed A2f rispettivamente, [Pa] .

I vantaggi di questi dispositivi sono dati dalla semplicità di realizzazione e dal basso costo.

Nelle situazioni reali, nella relazione di cui sopra bisogna introdurre dei fattori correttivi. Alf ed A2f ad esempio, non sono veramente le aree corrispondenti ai diametri del tubo e dell'ostruzione rispettivamente, bensì le sezioni effettivamente attraversate dal fluido.

Nella realtà sono anche presenti effetti dovuti all'attrito che provocano perdite di pressione ed errori nella misura della caduta di pressione.

Come si può notare dalla precedente relazione, una variazione della differenza di pressione di un rapporto 10:1 corrisponde ad una variazine nella velocità del flusso secondo un rapporto di 3:1. Poiché gli strumenti preposti alla misura della differenza di pressione diventano completamente inaccurati al di sotto del 10 per cento del valore di fondo scala, questa non linearità, che é tipica di tutti i misuratori ad ostruzione, restringe il range di misura del flusso ad un intervallo in cui il rapporto tra il valore massimo misurabile e quello minimo é di 3:1.

4) Misuratori di portata a galeggiante.

Sono strumenti molto utili e diffusi nel campo delle piccole e piccolissime portate, per le quali buona parte degli altri dispositivi sono inapplicabili. Essi comprendono un tubo debolmente conico contenente una sferetta o un solido di rivoluzione chiamato galleggiante, anche se affonda nel fluido da misurare.

Il tubo é montato verticalmente con la base maggiore in alto. Il fluido entra dal basso e solleva il galleggiante fino a che l'area libera tra esso e il tubo diventa tale da consentire il passaggio della portata da misurare con una prefissata caduta di pressione, che dipende quasi esclusivamente dal rapporto tra il peso (escluso la spinta di archimede) e l'area della sezione massima del galleggiante. L'altezza raggiunta dal galleggiante viene letta direttamente su una scala, se il tubo é trasparente, oppure viene rilevata con cinematismi o "pick-up" magnetici, se il tubo é realizzato in materiale metallico. Nella qui allegata figura 1 viene illustrata schematicamente questa fase di misura.

Poiché detta area libera è in prima approssimazione proporzionale all'altezza raggiunta dal galleggiante e la portata è a sua volta proporzionale all'area libera, la relazione tra portata ed innalzamento del galleggiante risulta pressoché lineare.

5) Contatori a turbina.

L'elemento sensore di questo tipo di strumenti é un rotore assiale palettato azionato in rotazione dal fluido da misurare. Il misuratore di portata a turbina é largamente impiegato per i fluidi aventi proprietà lubrificanti come gli idrocarburi, ciò per mantenere il più possibile basse le perdite dovute all'attrito e presenti sugli ingranaggi di rotazione.

I cuscinetti che sorreggono il rotore sono la parte più delicata dell'ingranaggio e devono essere sostituiti periodicamente. Il rilevamento della rotazione viene fatto quasi sempre con un sensore di prossimità di tipo induttivo, o capacitivo, che genera un impulso elettrico ogni qualvolta una pala ruotando passa per un punto di rilevamento. Pregi di questo dispositivo sono la buona linearità e la ripetibilità. I principali svantaggi sono invece il costo elevato, la delicatezza meccanica e la necessità di manutenzione.

6) Contatore a camere volumetriche di misura. Si tratta di misuratori volumetrici in senso stretto. In essi un volume di fluido, detto volume ciclico, passa ad ogni ciclo dall'ingresso all'uscita attraverso camere mobili a volume costante, oppure camere che sono alternativamente riempite e svuotate.

In esso il movimento del fluido provoca la rotazione di un asse di uscita. La potenza necessaria al movimento degli organi meccanici, é a volte prelevata dal fluido stesso. I problemi costruttivi e funzionali di questi misuratori sono dati dalla tenuta e dall'usura; la precisione é infatti influenzata dalle variazioni dimensionali e dalle fughe di fluido che variano in funzione della pressione e della viscosità. Il costo della realizzazione di questi strumenti é inoltre molto elevato.

7) Misuratori a vortice.

Questi dispositivi si basano sul rilevamento di fenomeni oscillatori artificialmente provocati nel fluido. Essi comprendono una sezione di tubazione in cui é inserito un corpo trasversale sagomato (C) in modo da produrre nella sua scia una serie di vortici che si distaccano periodicamente e alternativamente dall'uno e dall'altro lato. La distanza o passo tra due vortici successivi é, a parità di dimesioni del cilindro, proporzionale alla velocità media del fluido e alla portata. Il segnale di uscita può essere prelevato per mezzo di un corpo sagomato che oscilla per azione dei vortici. Dalla misura dell'entità di tale oscillazione si risale alla velocità del flusso. Poiché la portata misurabile dipende dal verificarsi dei vortici e dall'ampiezza minima rilevabile del segnale, il campo di misura di tali strumenti é abbastanza ristretto.

8) Flussimetri a forza di trascinamento. Il principio che utilizzano questi misuratori é quello di rilevare la forza Fd di trascinamento cui risulta sottoposto un corpo immerso all'interno del flusso, come mostrato schematicamente in figura 2. Tale forza, che verrà rilevata mediante resistenze a strain-gage opportunamente applicate al gambo che sorregge il corpo immerso, é legata alla velocità del flusso dalla seguente relazione:

dove :

Cd é il coefficiente (adimensionale) di trascinamento

Λ é la sezione del condotto, [m ]

p é la densità di massa del fluido, [kg/m<3>} v é la velocità del fluido, [m/s]

9) Misuratori di portata elettromagnetici.

Il principio di funzionamento di questi strumenti si basa sulla legge di Faraday secondo la quale tra le estremità di un conduttore di lunghezza di che si muova con velocità v all'interno di un campo magnetico la cui induzione sia B si sviluppa una forza elettromotrice de data da:

Questa legge vale sia per conduttori allo stato solido, liquido e gassoso, quindi se in un tratto di tubazione, all'interno del quale scorre il fluido, si crea un campo magnetico di direzione trasversale, il fluido interessato diventa sede di un campo elettrico. Fra i due elettrodi immersi nel campo, e disposti lungo un diametro ortogonale al campo stesso, si rileva una differenza di potenziale che é correlata con la velocità e la portata del flusso.

Nelle situazioni pratiche il campo magnetico ha un'estensione limitata, quindi nessuna tensione é indotta nelle parti esterne ad esso; anzi queste ultime agiscono da corto circito, riducendo quindi la caduta di tensione. Tale effetto può essere ridotto aumentando l'estensione del campo magnetico, ad esempio una lunghezza pari a tre volte il diametro del tubo è sufficiente. Questi misuratori possono lavorare anche con liquidi debolmente conduttori.

10) Misuratori di portata ad ultrasuoni.

Sono strumenti che si caratterizzano per l'ottima ripetibilità e linearità e per la possibilità di misurare flussi in ambo le direzioni ed, entro certi limiti, anche nel caso di portate pulsanti. Inoltre, alcuni di questi misuratori effettuano la misurazione dall'esterno del condotto, senza alcun contatto con il fluido; in ogni caso essi non ostruiscono apprezzabilmente la sezione di passaggio. Si distinguono almeno due principi di funzionamento .

Il primo sfrutta l'effetto doppler. Un trasmettitore di ultrasuoni emette onde ultrasuoniche, con una certa frequenza f, in un fluido contenente piccole particelle o bolle in sospensione in direzione parallela a quella del flusso. Tali particelle essendo in movimento riflettono all'indietro parte dell'onda acustica con una frequenza debolmente più bassa se rilevata da un ricevitore fisso: se "a" é la velocità del suono in quel fluido, e "v" la velocità media della particelle riflettenti (v<<a) la diminuzione di frequenza dell'onda riflessa vale:

Principale inconveniente di questo metodo é la dipendenza del segnale di uscita dalla velocità del suono nel mezzo, quindi dalla natura e stato fisico del liquido.

Il secondo principio è illustrato schematicamente in figura 3 e si basa sul fatto che la velocità dell'onda ultrasuonica si somma vettorialmente con quella del mezzo fluido in cui viene emessa. Nella figura 3 abbiamo due coppie di trasmettitori Tl, T2 e di ricevitori RI, R2; il segnale emesso dal primo trasmettitore Tl viaggerà verso il ricevitore RI con velocità assoluta (a+v) mentre il segnale emesso dal secondo trasmettitore T2 avrà velocità assoluta (a-v). La velocità del fluido potrà quindi essere dedotta misurando la distanza tra i trasmettitori ed i ricevitori e la differenza tra i tempi di propagazione del segnale ultrasonico nei due versi. Si può dimostrare, inoltre, che il segnale di uscita non dipende dalla velocità del suono nel mezzo.

11) Anemometri a sonda calda (o a filo caldo). Sono anemometri basati sul principio dell'ablazione del calore da fili sottili, per convenzione forzata. Il prototipo di questi strumenti é l'anemometro a filo caldo costituito da un filamento di platino o di tungsteno di diametro tipicamente compreso tra 5μπι e 50μπι, lungo qualche millimetro e saldato alle due estremità fra due aghi paralleli. La figura 4 mostra schematicamente un esempio di un tale dispositivo.

Nel filo, il cui valore di resistenza R dipende dalla temperatura, viene fatta passare una corrente di valore I; per effetto joule si sviluppa una potenza P=RI<2 >ed il filo si riscalda. Se esso é lambito da una corrente fluida ad esso ortogonale di velocità v del fluido e di un insieme di altri parametri. Scrivendo l'equazione di bilancio termico relativa alla sonda, si avrà:

dove:

dU é la variazione di energia interna della sonda nell'unità di tempo [W]

Eg é l'energia termica generata internamente alla sonda nell'unità di tempo, [W]

Es é l'energia termica scambiata dal filo caldo col fluido nell'unità di tempo, [W]

esplicitando questi termini con le grandezze relative alla sonda si ha:

dove:

p è la densità di massa della sonda, [Kg/m<3>] C é la capacità termica della sonda, [m<2>/s<2>°K] V é il volume della sonda, [m<3>]

A é la superficie della sonda, [m<3⁄4>]

R é il valore di resistenza della sonda, [ohm] h é un coefficiente di scambio termico (coefficiente di convenzione forzata), [Kg/s<3 >°K]

Tg é la temperatura della sonda, [ °K]

Tf é la temperatura del fluido, [ °K]

In condizioni stazionarie (dTg/dt=0) la potenza termica fornita alla sonda e quella asportata si eguagliano, si avrà quindi che:

Il coefficiente di scambio termico h é in funzione di una serie di parametri del fluido che sono la viscosità, la conducibilità, la capacità termica, la velocità v, la temperatura Tf, la conduttanza termica superficiale della sonda. Tuttavia per un campo di differenze di temperatura (Tg- Tf) all'interno di un certo intervallo e per velocità tra qualche decimetro al secondo (limite al di sotto del quale prevale la convenzione naturale), e un massimo pari a qualche decina di metri al secondo, il parametro può essere approssimato nel seguente modo:

con i termini a e b costanti nell'intervallo sopra menzionato. Si ottiene quindi:

e quindi:

Se la corrente viene mantenuta costante, la velocità del fluido V può essere dedotta dalla misura della tensione ai capi della sonda calda, in quanto tutti i termini dell'equazione eccetto v sono noti.

Purtroppo la taratura di questi strumenti deve essere ripetuta ad intervalli anche soltanto di poche ore, perché il filo scoperto si contamina molto facilmente. Per migliorare la ripetibilità, vengono utilizzate sonde a filo o a strato schermato, cioè ricoperte di un sottilissimo strato al quarzo; esse sono ovviamente meno rapide nel rilevare le variazioni di velocità, ma molto più pratiche. Lo strumento é ovviamente sensibile alle variazioni di viscosità, conducibilità e capacità termica di fluido in quanto da queste grandezze dipende il coefficiente di scambio termico "h".

Il problema tecnico che sta alla base della presente invenzione é quello di escogitare un metodo di misura ed un relativo misuratore di flusso di fluido i quali abbiano rispettive caratteristiche funzionali e strutturali di particolare semplicità e tali da consentire la realizzazione a basso costo di misuratori di velocità e quindi, nel caso di condotti a sezione costante, di portata di flussi.

Sommario dell'invenzione

L'idea di soluzione che sta alla base della presente invenzione è quella di effettuare la misura della velocità di un fluido, o del flusso di un fluido in condotti a sezione costante, e nell'utilizzo di sensori appartente alla famiglia dei sensori a sonda calda, ma con sensori a basso costo come termistori NTC (Negative Temperature Coefficient) le cui informazioni vengono successivamente elaborate grazie ad un modello matematico Fuzzy del misuratore.

Nulla vieta comunque di utilizzare qualsiasi altro sistema di rilevamento termico.

Sulla base della<' >suddetta idea di soluzione, il problema tecnico è risolto da un misuratore del tipo precedentemente indicato e caratterizzato dal fatto che detto sensore è suscettibile di convertire ciascun valore di velocità di flusso in un valore di tensione elettrica ed è collegato ad un elaboratore operante in logica fuzzy per fornire la misura del flusso.

Il problema tecnico è risolto inoltre da un metodo di misura del flusso di un fluido che prevede l'impiego come sensore di un termistore, per convertire ciascun valore di velocità di flusso in un valore di tensione elettrica, ed un elaboratore operante in logica fuzzy collegato a tale termistore per fornire la misura del flusso.

Più in particolare, a differenza dei comuni misuratori di flusso a sonda calda, semplici nella struttura però particolarmente sensibili alle variazioni di temperatura del flusso da misurare, il misuratore secondo l'invenzione permette di valutare con buona precisione flussi la cui temperatura può variare all'interno di un range prestabilito.

Vantaggiosamente, il misuratore secondo l'invenzione è in grado di misurare una portata, ad esempio d'aria, anche con una serie di vincoli imposti dalla grandezza da misurare, dal segnale d'uscita e dalla precisione richiesta. Inoltre, il misuratore secondo l'invenzione, essendo realizzato con componenti a basso costo utilizzabili grazie l'ausilio di tecniche Neuro-Fuzzy, ha delle dimensioni ridotte e dei costi contenuti.

Le caratteristiche ed i vantaggi del metodo di misura e del misuratore secondo l'invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un esempio di attuazione dato a titolo indicatovo e non limitativo con riferimento alle figure dei disegni allegati.

Breve descrizione dei disegni

- le figure da 1 a 4 mostrano rispettive viste schematiche di misuratori di flusso realizzati secondo principi e tecniche di tipo noto;

- la figura 5 mostra schematicamente un misuratore di flusso realizzato secondo l'invenzione per un'impiego indicativamente su una cappa aspirante;

- la figura 6 è una vista schematica di un sensore incorporato nel misuratore di figura 5;

- la figura 7 mostra una vista schematica di un particolare del sensore di figura 6;

- la figura 8 mostra in forma di diagramma una curva di valori di tensione elettrica ricavati in funzione della velocità del fluido tramite il sensore di figura 6;

la figura 9 riporta l'andamento discreto dei valori di tensione di figura 8;

- la figura 10 mostra un blocco schematico di un particolare del sensore di figura 6;

la figura 11 è un diagramma che illustra l'andamento della tensione ai capi di un componente del sensore di figura 6 in corrispondenza di tre diverse condizioni di flusso misurato a velocità costante e a temperatura variabile;

- la figura 12 mostra l'andamento dei valori delle tensioni reali in corrispondenza di misure effettuate a flusso costante e a temperatura variabile;

la figura 13 è un diagramma che illustra l'andamento della tensione ai capi di un componente del sensore di figura 6 rispetto alla velocità del flusso e in differenti condizioni di temperatura;

- la figura 14 mostra l'andamento dei valori delle tensioni reali ai capi di un componente del sensore di figura 6 rispetto alla velocità del flusso e in differenti condizioni di temperatura;

- la figura 15 mostra l'andamento dei valori delle tensioni reali ai capi di un componente del sensore di figura 6 percorso da un piccolo valore di corrente e in corrispondenza di predeterminati valori di flusso;

- la figura 16 mostra l'andamento dei valori delle tensioni reali ai capi di un componente del sensore di figura 6 percorso da un piccolo valore di corrente e in corrispondenza di differenti temperature di flusso;

- le figure 17 e 18 mostrano rispettive vistre di blocchi schematici di architetture in logica fuzzy utilizzate per misuratore e per il metodo secondo 1'invenzione ;

la figura 19 è un diagramma comparativo che riporta i risultati delle elaborazioni in logica in logica fuzzy nei blocchi delle figure 17 e 18;

- la figura 20 mostra una vista schematica di una cappa aspirante incorporante il misuratore secondo 1'invenzione .

Descrizione dettagliata

Con particolare riferimento all'esempio di figura 5, con 1 è globalmente e schematicamente indicato un misuratore di flusso realizzato in accordo con la presente invenzione .

II misuratore 1 è del tipo a sonda 2 calda costante. Vantaggiosamente, secondo l'invenzione, come sonda 2 viene utilizzato un termistore 3 di tipo NTC (Negative Temperature Coefficient) il quale, pur avendo un costo contenuto, ha una buona stabilità e robustezza.

II termistore 3 è incorporato in circuito 4 il cui schema strutturale è mostrato nella figura 6.

Come si può notare dalla figura 6, un generatore 7 di corrente costante II alimenta il termistore 3 tra un primo riferimento di tensione di alimentazione Vn ed un secondo riferimento di tensione, ad esempio una massa GND.

Il termistore 3 viene immerso all'interno di un tubo, non mostrato in quanto convenzionale, a sua volta alloggiato all'interno di una cappa aspirante.

La cappa può essere una cappa da cucina ad uso domestico oppure una qualunque cappa aspirapolvere. Nella figura 5 la cappa è schematicamente rappresentata da una turbina 9.

Vantaggiosamente, secondo l'invenzione, il termistore 3 è collegato ad un elaboratore 10 operante in logica fuzzy e suscettibile di fornire la misura del flusso di fluido come risulterà del seguito della descrizione. A puro titolo di completezza di descrizione, nella figura 7 è mostrata in maggiore dettaglio la struttura del generatore 7 di corrente costante. Esso viene preferibilmente realizzato tramite un transistore bipolare PNP inserito in serie a resistor! tra l'alimentazione Vn e la massa GND ed avente terminale di comando pilotato da un amplificatore differenziale tipo A741. Un ingresso dell'amplificatore è retroazionato dal terminale di emettitore del transistore PNP.

Il termistore 3 viene attraversato dalla corrente Il e si surriscalda per effetto Joule. E' possibile scrivere un'equazione di bilancio termico relativa al termistore 3 NTC che è percorso da una corrente I di valore ad esempio pari a 100 mA ed é lambito da un flusso d'aria con velocità v:

R (Tn) é il valore della resistenza del termistore 3 NTC alla temperatura Tn, [Ω]

I é la corrente che percorre il termistore 3 NTC, [A]

h é un coefficiente termico, [Kg/s<3 >°K3, che, in base alle normali condizioni operative può essere approssimato: h = a jbVv

A é la superficie del termistore NTC, [m<2>]

Tn é la temperatura del termistore NTC, [°K]

Tn é la temperatura del fluido, [°K]

p é la densità di massa del termistore NTC, [Kg/m<3>] C è la capacità termica del termistore NTC, [m<3>/s<2 >°K]

V é il volume del termistore NTC, [m<3>]

Se consideriamo condizioni stazionarie in cui dTn/dt=0, e utilizzando per il coefficiente di scambio termico "h" l'approssimazione valida per le condizioni operative in cui normalmente si opera, l'equazione di scambio termico si riduce alla seguente:

) e quindi:

) Se consideriamo ora Tf=cost., si ottiene una relazione biunivoca tra la tensione V=R(Tn)I ai capi del termistore NTC (essendo Tn legata a R(Tn) dalla relazione secondo la quale R(Tn)=R(Tf )expb(l/ Tn-l/Tf )), e la velocità v del fluido.

Si può quindi ricavare facilmente il flusso di fluido dalla misura della tensione V ai capi del termistore 3.

Poiché la temperatura Tn del termistore 3 non varia eccessivamentea a seguito di una variazione della velocità del flusso, la variazione che si ha nella quantità (Tn-Tf) può essere trascurata rispetto alla variazione che invece subisce il termine b-Jv .

L'equazione precedente può quindi essere scritta nel seguente modo:

a 2

dove (Tn-Tf )/I

Riportando in un grafico i valori teorici della tensione V= R(Tn)I ai capi del termistore 3, rispetto alla velocità del flusso v, si ottiene un andamento mostrato nella figura 8.

Come si può notare, la curva riprodotta in figura 8 è un tratto di parabola.

Nella successiva figura 9 sono riportati invece i valori di tensione discreti misurati ai capi del termistore 3 NTC in corrispondenza di prefissate velocità di flusso.

Il circuito di figura 6 può essere schematizzato molto semplicemente tramite un blocco 8 illustrato in figura 10.

Il blocco 8 rappresenta un termistore NTC che è sostanzialmente in grado di convertire un valore di velocità v di flusso ricevuto in ingresso in un valore di tensione V in uscita. La tensione V è quella presente ai capi del termistore NTC in funzione della velocità del flusso di fluido.

Nelle precedenti considerazioni si é supposta costante la temperatura Tf del fluido, ma tale ipotesi appare ora troppo restrittiva.

Come appare evidente dalla precedenti equazioni, una variazione anche piccola della temperatura del fluido Tf, provoca una variazione della tensione V ai capi del termistore NTC superiore a quella che può provocare, a parità di variazione percentuale, una variazione di flusso. La tensione è infatti legata alla temperatura Tf da una relazione lineare {con valori di temperatura e di velocità del flusso superiori all'unità) .

Se prendiamo in considerazione condizioni di flusso costante (v=cost.) e temperatura di flusso Tf variabile, supponendo ancora che sia r„=cost., l'equazione (2) si riduce alla seguente:

dove :

In un diagramma mostrato in figura 11 viene riportato l'andamento teorico della tensione V ai capi del termistore NTC in corrispondenza di tre distinte condizioni di flusso indicate con vlt v2, v3, per le quali la temperatura Tf varia.

Vi è da notare che i termini Tnl, Tn2, Tn3, sono differenti temperature assunte dal termistore NTC in corrispondenza di flussi aventi i seguenti valori di velocità: v=vlr v=v2 > vlf v=v3 > v2 rispettivamente.

Nella figura 12 sono riportati i valori di tensione V reali, cioè quelli misurati in momenti prestabiliti ai capi del termistore NTC in corrispondenza di condizioni di misura di flusso con velocità v costante e temperatura Tf variabile all'interno dell'intervallo [25C°, 40C°].

Come si può notare invece dalle figure 11 e 12, la temperatura del fluido Tf altera sensibilmente la relazione esistente tra la tensione ai capi del termistore NTC e la velocità v del fluido stesso. La temperatura del fluido, alterando tale relazione, agisce come una grandezza d'influenza .

Nella figura 13 è riportato in un diagramma l'andamento teorico della tensione ai capi del termistore NTC rispetto alla velocità del flusso v in corrispondenza di differenti temperature Tf del fluido.

I valori teorici previsti sono confermati dai valori ideali (curve continue) e da quelli reali riportati nel grafico di figura 14 che mostra l'andamento della tensione in corrispondenza di due sequenze di valori di flusso aventi una temperatura di 25°C a l'altra di 35°C.

E' quindi evidente che l'aumento della temperatura del fluido Tf fa traslare i valori delle tensioni V0 all'uscita del circuito 8. La temperatura del fluido Tf risulta essere quindi la principale grandezza d'influenza per il termistore NTC.

Si pone quindi il problema di come compensare le variazioni della temperatura del fluido.

Prendiamo allora nuovamente in considerazione l'equazione (1) di bilancio termico relativa ad un termistore percorso da una corrente di valore I, e immerso all'interno di un fluido di velocità v, in condizioni stazionarie, si ha:

se si suppone che il valore della corrente I sia piccolo, e cioè tale da far funzionare il termistore nella zona di bassa corrente (ad es. I 30mA), il primo membro può essere trascurato {R (Tn)I<2>∞0 ), e si ottiene che:

e quindi

Tn=Tf

Pertanto, in queste condizioni, il termistore NTC si porta ad una temperatura Tn che non dipende dalla velocità del fluido, ma coincide proprio con la temperatura dello stesso. L'approsimazione fatta in termini analitici risulta confermata dai dati ottenuti sperimentalmente con misure che sono mostrate in figura 15.

In tale figura 15 sono riportati valori di tensione ai capi di un termistore NTC percorso da un piccolo valore di corrente in corrispondenza di predeterminati valori di flusso .

Come si può notare, questa tensione V non varia eccessivamente al variare della velocità del flusso; anzi, risulta pressoché costante.

Nella figura 16 è mostrato in forma di diagramma l'andamento della tensione V ai capi dello stesso termistore NTC quando il flusso mantiene costante la sua velocità v, mentre la sua temperatura varia.

Dalle figure 15 e 16 si rileva che la tensione ai capi di questo termistore NTC risulta essere unicamente dipendente dalla temperatura del flusso Tf in quanto la dipendenza dalla velocità del flusso è trascurabile.

Pertanto, una volta che il termistore 3 viene alloggiato all'interno del flusso, il valore della tensione V ai suoi capi può essere considerata tranquillamente come la grandezza di compensazione. Si può osservare inoltre che la tensione ai capi del termistore un andamento linearmente (circa) decrescente con la temperatura. Tale andamento é simile a quello visto per il termistore NTC caldo, o sonda calda, quando viene sottoposto ad un flusso di velocità costante e temperatura variabile.

Ora, con particolare riferimento agli esempi delle figure da 17 a 20, viene descritto un aspetto dell'invenzione che riguarda l'impiego di reti neurali destinate ad elaborare i segnali delle sonde calde precedentemente descritte.

L'impiego delle reti neuronali consente di ottenere così una funzione in logica fuzzy che a partire da predeterminati valori in ingresso produce in uscita il valore della misura cercato.

I segnali di interesse ai fini della presente invenzione sono le singole tensioni ai capi dei due termistori; un termistore NTC caldo ed un termistore NTC freddo.

Come si é visto precedentemente, le due tensioni rilevabili ai rispettivi capi del termistore freddo e caldo risultano essere: una (V^,) funzione della velocità v e della temperatura Tf del flusso, l'altra (Vnl) dipendente dalla sola temperatura del flusso.

Associati a ciascuna tensione si sono considerati sedici fuzzy-set.

II numero totale di regole in logica fuzzy, e quindi il numero di fuzzy-set relativi all'uscita, è individuabili con la metodologia d'identificazione fuzzy e, considerando sedici fuzzy-set per ciascun parte antecedente v»2) . risulta essere di 121 termini.

La metodologia di identificazione in logica fuzzy è nota e descritta ad esempio nell'articolo "Neural Model and Fuzzy Control of thè temperature of an oven" di M. Lo Presti, R.Poluzzi, GG. Rizzotto, The First International Conference on Fuzzy Logic Systems, Development Tools and Applications. San Francisco (USA), July 20-22, 1993.

Una volta definita la struttura delle regole, è possibile individuare i valori delle funzioni di appartenenza delle parti conseguenti e delle parti antecedenti tramite l'impiego di reti Neuro-Fuzzy.

La figura 17 illustra schematicamente un blocco di identificazione operante in logica fuzzy e suscettibile di identificare le regole fuzzy inerenti il metodo di misura secondo 1'invenzione.

Una rete neuronaie mostrata schematicamente nel blocco della figura 18 è prevista come architettura di elaborazione delle regole fuzzy.

Come è noto, la rete neuronaie prevede una fase iniziale di apprendimento che, nel caso specifico, è stata organizzata con un pattern d'allenamento comprendente un insieme di valori, 4000 terne, che rappresentano i valori di tensione Vnla Vn2a ai capi dei due termistori NTC freddo e caldo.

I valori di tensione di apprendimento vengono identificati in corrispondenza di prefissate condizioni di velocità v di flusso e di temperatura T£. Anche i valori reali del flusso vengono rilevati tramite un anemometro in corrispondenza delle suddette prefissate condizioni di velocità e temperatura.

Dopo che la rete neurale è stata adeguatamente allenata, agli ingressi della rete vengono applicati circa 12000 coppie di valori di tensione relativi alle due tensioni Vnla eVn2a.

Tale congruo numero di valori riguarda valori differenti da quelli utilizzati nella fase di allenamento e corrispondenti a tutte le condizioni di velocità e di temperatura del flusso che é stato possibile imporre per ottenere in uscita il valore v.

Riportando su uno stesso grafico, mostrato in figura 19, le due misure di flusso, e cioè il valore reale del flusso v rilevato dall'anemometro, e quello identificato dalla rete neurale vs, quando al suo ingresso sono dati i valori delle tensioni Vnl, Vn2 in corrispondenza delle diverse condizioni di flusso, si ottiene un andamento tipico a gradini.

Da tale grafico risulta evidente che il misuratore secondo l'invenzione rileva con grande precisione il flusso del fluido.

In conclusione, il misuratore di flusso proposto dall'invenzione può essere configurato come appartente alla famiglia dei sensori a sonda calda, in quanto esso ne sfrutta i principi, ma utilizza dei sensori a basso costo le cui informazioni vengono eleborate grazie ad un modello matematico Fuzzy.

Dalla misura delle temperature del fluido, di cui si vuole valutare la velocità, e di un corpo scaldato ad una temperatura più alta rispetto a quella del fluido e sottoposto al flusso stesso, si riesce ad ottenere la misura cercata.

L'utilizzo di metodologie a Reti Neurali ed a Logica Fuzzy consente inoltre di ottenere un sistema che é insensibile ai disturbi dovuti ai sensori a basso costo. Il corpo scaldato ad "alta" temperatura (sonda calda) può essere una opportuna resistenza percorsa da corrente la cui temperatura viene prelevata tramite un termistore NTC oppure un termistore NTC scaldato tramite un opportuno generatore di corrente.

L'ausilio di componeneti elettronici dedicati all'elaborazione di regole fuzzy consente di gestire gli ingressi del sistema con tempi di risposta adeguati ad uno strumento di misura.

L'utilizzo della metodologia Neuro-Fuzzy permette di ottenere la misura della velocità del fluido, ovvero il suo flusso, in condotti a sezione costante e con ottima precisione. Inoltre il sistema risulta essere insensibile ai disturbi ed in particolare alla variazioni di temperatura del fluido in esame.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Misuratore (1) di flusso di fluido, del tipo comprendente un sensore a sonda (2) calda di nota resistenza (R) elettrica immerso in o lambito da una corrente di fluido avente una predeterminata velocità (v), caratterizzato dal fatto che detto sensore è suscettibile di convertire ciascun valore di velocità (v) di flusso in un valore di tensione (V) elettrica ed è collegato ad un elaboratore (10) operante in logica fuzzy per fornire la misura del flusso.
2. Misuratore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sensore è un termistore (3) NTC.
3. Misuratore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto termistore (3) è alimentato da un generatore (7) di corrente.
4. Misuratore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto elaboratore comprende una rete neurale.
5. Misuratore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di prevedere l'impiego di almeno due distinti termistori, uno caldo ed uno freddo, come sensori di misura.
6. Metodo di misura del flusso di un fluido, del tipo in cui un sensore a sonda calda di nota resistenza (R) elettrica viene lambito da una corrente di fluido avente una predeterminata velocità (v), caratterizzato dal fatto di prevedere l'impiego come come sensore di un termistore (3), per convertire ciascun valore di velocità (v) di flusso in un valore di tensione {V) elettrica, ed un elaboratore (10) operante in logica fuzzy è collegato a tale termistore per fornire la misura del flusso.
7. Metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto di prevedere l'impiego di almeno due distinti termistori, uno caldo ed uno freddo, come sensori di misura.
8. Metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto termistore (3) è di tipo NTC.
9. Cappa aspirante caratterizzata dal fatto di comprendere un misuratore di flusso di fluido secondo la rivendicazione 1.
10. Cappa aspirante caratterizzata dal fatto di prevedere una misura di flusso di fluido secondo il metodo della rivendicazione 6.