Misure e controlli idraulici - (5 cfu)

Finalità

Acquisire conoscenza degli strumenti e delle tecniche di misura delle principali grandezze di interesse nella meccanica dei fluidi e dei continui. Progettare modelli fisici e numerici di opere idrauliche. Progettare sistemi di gestione e controllo automatico di impianti idraulici.

Programma

Introduzione al SI. Richiami sulle equazioni cardinali, sulle condizioni al contorno, sui legami costitutivi : espressione in forma adimensionale. Gruppi adimensionali : significato fisico. Distribuzione di probabilità dell’errore. Teorema del limite centrale. Propagazione degli errori. Analisi dimensionale : grandezze fondamentali, struttura monomia delle equazioni dimensionali. Elementi funzionali di uno strumento di misura. Trasduttori attivi e passivi. Modi operativi : analogico e digitale. Strumenti ad annullamento di effetto. Strumenti a deflessione. Configurazione generalizzata ingresso-uscita di uno strumento. Filtri. Caratteristiche degli strumenti di misura : statiche e dinamiche. Calibrazione statica : modelli di regressione. Sensibilità statica di uno strumento, linearità, soglia, risoluzione, spazio morto. Impedenza e rigidezza generalizzate in ingresso di un sistema. Ammettenza e compliance. Caratteristiche dinamiche di sistemi lineari stazionari. Funzione di trasferimento. Strumenti di ordine zero, del primo e del secondo ordine. Risposte al gradino, alla rampa, all’impulso. Risposta in frequenza. Trasformata di Fourier dei segnali. Spettro di ampiezza e di potenza. Modulazione e demodulazione dei segnali. Segnali random. Funzione di autocorrelazione. Funzione caratteristica. Risposta a segnali periodici, transitori, modulati in ampiezza, a segnali random. Trasduttori di posizione : potenziometrici resistivi, induttivi, capacitivi, senza contatto. Strain gages. Trasduttori piezoelettrici. Sistemi ottici e optoelettronici. Interferometria laser. Misuratori di spostamento a fotodiodo. Trasduttori spostamento-pressione. Trasduttori di posizione digitali. Trasduttori di posizione ad ultrasuoni. Digitalizzatori 2-D, 3-D ad ultrasuoni. Accelerometri. Metodi stroboscopici per la misura di velocità di rotazione. Sensore a forza centrifuga (regolatore di Watt). Giroscopi. Trasduttori di forza. Trasduttori di forza a corde vibranti. Misuratori di coppia. Trasduttori di pressione. Manometri a peso morto, manometro Bourdon. Vacuometri, misuratori di Knudsen. Misuratori di velocità di un fluido : anemometro a filo o a film caldo, laser doppler, PIV. Tubo di Pitot statico. Velocimetro doppler ad ultrasuoni. Misuratori di portata : tubo Venturi, boccagli e diaframmi. Misuratori di velocità a galleggiante verticale. Misuratori a turbina. Misuratori volumetrici. Misuratori di portata elettromagnetici. Misuratori di densità. Misuratori di portata massica. Misuratori di Coriolis. Misuratori di livello : a galleggiante, a gorgogliamento, resistivo. Misuratori a risalto, a stramazzo in parete sottile, triangolari, in parete grossa. Mulinelli idrometrici. Misure di portata nei corsi d’acqua naturali. Misure di viscosità : reometri, reometri a cilindri coassiali concentrici. Misure di concentrazione di sedimenti, metodi ottici. Misure di permeabilità in laboratorio e in situ. Cenni sui termometri.
MODELLI FISICI
Teoria della similitudine. L’analisi diretta. Similitudine geometrica, cinematica, dinamica. Similitudine di Eulero, di Reynolds, di Froude, di Mach. Similitudine nella cavitazione. Similitudine nei pozzi piezometrici. I modelli idroelastici. I modelli distorti. La similitudine nel trasporto solido. La similitudine nel colpo d’ariete. La similitudine nei moti ondosi. Applicazioni dei modelli fisici : lo scaricatore a calice, lo scaricatore di fondo. La galleria di derivazione, il canale di derivazione, il dissipatore. Le conche di navigazione. Le erosioni localizzate. Sistemazioni fluviali, lagune ed estuari. Modelli di propagazione del moto ondoso. I fenomeni costieri. I modelli analogici. I modelli aerodinamici. I modelli ibridi.
MODELLI NUMERICI
Classificazione delle equazioni differenziali. Metodi di integrazione : agli elementi finiti, alle differenze finite, ai volumi finiti, spettrali, pseudospettrali. Modelli di propagazione delle piene. Modelli di propagazione delle onde di mare. Modelli di propagazione di perturbazioni idroelastiche. Colpo d’ariete in sistemi complessi (pompa e/o cassa d’aria a monte) con il metodo delle caratteristiche.
CONTROLLI
Sistemi dinamici lineari. Trasformate di Laplace e relativi teoremi. Risposta all’impulso, alla rampa, al gradino. Antitrasformate di funzioni razionali fratte proprie. Analisi di stabilità dei sistemi lineari. Composizione di blocchi : riduzione alla forma minima. Sistemi in retroazione. Classificazione delle regolazioni. Regolatori proporzionali, derivativi, integrali e loro combinazioni. Sistemi non lineari. Riempimento e svuotamento di una conca di navigazione. Laminazione delle piene con sfioratore a soglia non controllato. Stabilità della regolazione degli impianti idroelettrici. Moto vario nel sistema pompa a pistone-cassa d’aria-condotta. Controllo di canali a pelo libero, controlli BIVAL. Controllo di reti in pressione.

Attività d'esercitazione

Visita al Laboratorio di Idraulica.

Modalità d'esame

Esame orale

Propedeuticità

Insegnamenti del biennio, Idraulica

Testi consigliati

Misure e Controlli Idraulici (2004, in press) S. Longo & M. Petti, Mc Graw-Hill, pp.400
Measurement systems, (1990) E.O.Doebelin, Mc Graw-Hill, ISBN 0-07-100697-4, pp 960+XXII
Metodologie moderne di misure idrauliche e idrodinamiche, (1992), G.Pulci Doria, CUEN, Napoli, ISBN 88 7146 183-5, pp 407
I modelli fisici nell’Idraulica, (1994), A.Adami, CLEUP Ed., ISBN 88-7178-361-1
Controlli automatici, (1987), G.Marro, Zanichelli, ISBN 88-08-02008-8

Testi d'approfondimento

Costruzioni idrauliche, Vol.2, (1981), F.Arredi, UTET, ISBN 88-02-03551-2
Computation tecniques for fluid dynamics, Vol.1 e 2, (1991) C.A.J. Fletcher, Springer-Verlag ISBN 0-387-53601-9

Ultimo aggiornamento: 12-01-2003

Stampa il programma - Torna alla pagina precedente