• anemometro
• anemometro a stato solido
• microcontrollore
• sensori di pressione differenziali

Questo lavoro di tesi si pone l’obiettivo di realizzare un anemometro direzionale, ovvero un elemento in grado di ricavare il modulo della velocità e la direzione del vento. La particolarità di questo sensore è quella di non possedere parti in movimento, presenta dimensioni ridotte ed una elevata accuratezza, essendo stampato in 3D presenta inoltre contenuti costi di realizzazione. La misura avviene valutando la pressione che il vento esercita sulla superficie di un cilindro e da essa, come nei tubi di Pitot, è possibile ricavare una relazione di proporzionalità con la velocità del fluido e la pressione prelevata in maniera opportuna da esso. È presente una ampia letteratura che studia gli anemometri basati su sensori di pressione, tra i vari studi sono stati seguiti quelli che utilizzano un cilindro come elemento sul quale il fluido andrà ad impattare. Questa geometria permette la misura delle componenti sul piano XY se come asse Z si considera quello di simmetria del cilindro. Gli studi confermano che il profilo di pressione che si ottiene alla superficie del cilindro in funzione dell’angolo preso rispetto ad un asse di riferimento, non è monotono. Questo rende impossibile la misura direzionale. Per risolvere il problema della non monotonicità, è stata sviluppata la tecnica DPA (Dynamic Pressure Averaging) che consiste nell’eseguire una combinazione lineare di più pressioni, prelevate dalla medesima sezione del cilindro. Le pressioni vengono acquisite eseguendo dei fori di diametro opportuno sulla superficie alla medesima quota. La combinazione lineare avviene convogliando i flussi prelevati sulla superficie in camere interne al cilindro. I coefficienti della combinazione lineare vengono scelti modulando lunghezza, diametro ed angolazione dei canali rispetto all’asse di riferimento della struttura. La pressione differenziale valutata tra le due camere è proporzionale alla velocità del vento. Utilizzando la medesima sezione con un'altra configurazione di sonde opportunamente disposte è possibile ricavare anche la pressione differenziale riferita all’asse y. La misura di pressione differenziale necessita che il flusso del fluido sia in regime laminare ed in questa tesi, per svincolarsi da quella condizione molto difficile da realizzare e verificare, è stata implementata una misura di pressione differenziale in quanto non scorre più un flusso all’interno dei condotti. La combinazione lineare viene affidata non più interamente ad una modulazione geometrica della struttura ma una parte viene sostenuta dall’interfaccia di lettura e non saranno più presenti camere di raccolta ma ogni sonda porterà ad un sensore di pressione differenziale il proprio contributo. Si è deciso di implementare una combinazione lineare di 3 pressioni differenziali per non ingrandire eccessivamente la struttura aumentandone il volume. Per ottenere, alla medesima quota, la possibilità di rilevare entrambe le coordinate x e y è stata aggiunta una quarta coppia di sonde di pressione. La pressione differenziale si ottiene andando a valutare la differenza di due singole pressioni prelevate da sonde diametralmente opposte. I coefficienti della combinazione lineare derivano dalla particolare disposizione dei diametri. Una volta ricavate le pressioni differenziali per i due assi si procede al calcolo delle grandezze di interesse che sono: modulo della velocità del vento e l’angolo valutato rispetto all’asse di riferimento. Al fine di realizzare accuratamente il cilindro e, date le dimensioni ridotte dei canali (1 mm di diametro), è stata utilizzata la stampa 3D con tecnologia stereolitografica (SLA). In fase di progettazione si è deciso di realizzare un anemometro con 3 sezioni anziché una. Le sezioni presentano diametro dei canali diversi. L’uso di più sezioni ha permesso di verificare gli effetti del prelevare una pressione a quote diverse. Avere diametri diversi ha permesso di valutare gli effetti causati da un cambio di geometria delle sonde. Tramite i canali, le pressioni vengono convogliate singolarmente sulla base dell’anemometro e da lì, mediante dei tubi in silicone, sono collegate con i sensori di pressione differenziale. In fase di misure stato eseguito un confronto degli errori angolari, calcolati come differenza tra l’angolo alla quale è stata effettuata la particolare misura e l’angolo calcolato dalle pressioni. Questo confronto è stato eseguito per tutte le sezioni, inoltre si è verificato che il modulo della velocità del vento risulta costante al variare dell’angolo.
In parallelo alla sessione di misure è stata realizzata una nuova interfaccia di lettura elettronica integrata per i sensori di pressione differenziale Honeywell RSCMRRE001KDSE3 utilizzando il microcontrollore a 16 bit PIC24FJ256GA705 della Microchip. Il nuovo sistema è in grado di controllare anche un motore passo-passo al fine di velocizzare le misure in galleria del vento gestendo autonomamente la rotazione dell’anemometro.