Dottorato di ricerca in INGEGNERIA IDRAULICA E AMBIENTALE 2005 Misure idrauliche in pieno campo

1. Dottorato di ricerca in INGEGNERIA IDRAULICA E AMBIENTALE 2005 Misure idrauliche in pieno campo Appunti delle lezioni predisposte da Giuseppe Ciraolo e Carmelo Nasello

2. Misura di tirante Asta graduata sulla pila di un ponte o su parete verticale rigida Asta graduata accanto piezometro

3. Misuratore di livello ad ultrasuoni Misura il livello dall'alto senza che vi sia contatto con il liquido. Il trasmettitore è posto verticalmente sopra la superficie del liquido. Nota la velocità di propagazione nell’aria dell’impulso ultrasonico, la misura del tempo impiegato per andare e tornare fornisce la distanza percorsa. Attenzione alle pareti laterali perché disturbano gli ultrasuoni

4. Un ponte di Wheatstone realizzato da quattro resistori sopra la membrana viene interessato dalla deformazione della membrana stessa quando sollecitata, ciò permette di convertire la grandezza meccanica in un segnale elettrico

5. IL MISURATORE DI LIVELLO THALIMEDES • Lo strumento è del tipo a puleggia con piombo e galleggiante; • Il movimento della puleggia genera una differenza di potenziale che viene trasformato in valori di livello; • acquisisce 1 dato al minuto • è predisposto per calcolare la media e memorizzare il valor medio nell’intervallo scelto (5 min.) • è gestito in remoto via GSM

6. Analisi di Fourier: un segnale a lunghezza finita si può ricondurre una somma  infinita di sinusoidi, ognuna avente propria ampiezza fase e frequenza. La somma delle N sinusoidi restituisce il segnale di partenza. Disponendo pertanto di N triple (Ai, fi,fi) si ha una descrizione completa del segnale iniziale. L'ampiezza di ciascuna delle componenti di frequenza indica il contributo di quella componente nel segnale originale la frequenza di campionamento deve essere almeno doppia della più alta frequenza presente nel segnale

7. L'energia di una componente di frequenza è calcolata come il quadrato dell'ampiezza Ponendo in ascissa le frequenze fi ed in ordinata le ampiezze Ai, si ottiene lo spettro di ampiezza del segnale.Qualora si consideri il quadrato Ai2 si ottiene lo spettro di potenzadel segnale. Quando un segnale di lunghezza T s è campionato in N campioni con un intervallo di D T s allora: T (tempo tot del segnale) = N x D T e la risoluzione di frequenza dello spettro sarà: 1/N x D T Hz

8. Filtri Con la filtrazione il contenuto di un segnale è alterato. Si ipotizza che il segnale sia separabile in diverse componenti: rumore, informazione… I filtri si distinguono in analogici e digitali. Gli analogici sono superati perché bisogna conoscere approfonditamente il segnale e sono matematicamente complessi Oggi sono applicati i digitali perché: Sono facilmente programmabili tramite software Richiedono operazioni matematiche semplici

9. Classificazione filtri digitali Filtri che operano solo sui valori di input Media mobile o FIR (Finite Input Response): applicano una convoluzione tra i coefficienti del filtro e una sequenza di dati di input. La filtrazione non si propaga oltre la finestra individuata dal filtro. Se un filtro agisce sui dati di input e sui dati di output dello step precedente, si ha un IIR (Infinite Impulse Response) o media mobile autoregressiva (ARMA). La risposta di questi filtri è infinita, nel senso che un impulso si sente anche sulle code

10. Filtri ideali I dipendenza delle frequenze che il filtro fa passare o attenua si distinguono: Lowpass filter (filtri passa basso), fanno passare le basse frequenze e attenuano quelle alte Highpass filter (filtri passa alto), fanno passare le alte frequenze e attenuano quelle basse. Bandpass filter (filtri passa banda), fanno passare certe bande di frequenze. Band stop filter attenuano certe bande di frequenze fc: cutoff frequency

11. Filtri reali In realtà il comportamento ideale e difficile da riprodurre per cui alcune frequenze non possono essere tagliate in maniera netta. Lo stop non può essere netto, ma esistono zone di transizione.

12. IIR: Lowpass Butterworth Filters

13. marea FFT marea Butterworth 1° ordine passabasso frequenza di taglio 8.10-5 Hz Frequenze picchi

14. PRINCIPI FISICI DEI MISURATORI DI VELOCITÀ AD ULTRASUONI • Natura del suono • Il suono può essere definito come l ’energia meccanica trasmessa da onde di pressione in un mezzo materiale. Questa definizione generale risulta valida per tutti i tipi di suono: • udibile • le onde sismiche in bassa frequenza • ultrasuoni • Gli ultrasuoni sono onde elastiche in tutto simili a quelle udibili e devono avere un mezzo entro il quale propagarsi. • Si chiamano ultrasuoni le onde elastiche che hanno una frequenza >20 kHz che corrisponde alla banda dell ’udibile

15. PRINCIPI FISICI DEI MISURATORI DI VELOCITÀ AD ULTRASUONI Natura del suono Il suono può essere considerato come una successione di compressioni e rarefazioni di molecole e particelle in un mezzo. Le regioni di compressione sono accompagnate da pressioni elevate rispetto alla pressione atmosferica,mentre le regioni di rarefazione corrispondono a punti dove la pressione è più bassa di quella atmosferica

16. PRINCIPI FISICI DEI MISURATORI DI VELOCITÀ AD ULTRASUONI • Velocità di propagazione • La velocità di propagazione del suono dipende: • dalla rigidezza del mezzo • Dalla densità del mezzo Riflessione Se l ’onda si propaga in un mezzo omogeneo la propagazione è continua e avviene lungo una linea retta Quando l’onda incontra la superficie di separazione tra due mezzi aventi impedenza acustica diversa, parte dell’onda continua a propagarsi nel secondo mezzo con una direzione diversa da quella dell’onda incidente e prende il nome di onda rifratta, un’altra parte invece viene riflessa nel primo mezzo

17. PRINCIPI FISICI DEI MISURATORI DI VELOCITÀ AD ULTRASUONI Riflessione Per quanto riguarda l ’angolo di riflessione è importante distinguere tra due tipi di fenomeni riflessivi: 1) riflessione speculare 2) scattering Il tipo di scattering è funzione del rapporto delle lunghezza d’onda e la dimensione media delle particelle Scattering Gli echi di scattering sono prodotti da oggetti di dimensione minore della lunghezza d ’onda o da oggetti dotati di una superficie irregolare,e in questo caso l’onda viene riflessa in molteplici direzioni

18. PRINCIPI FISICI DEI MISURATORI DI VELOCITÀ AD ULTRASUONI Caratteristiche dei trasduttori ad ultrasuoni I trasduttori ad ultrasuoni (cristalli di quarzo) convertono energia elettrica in acustica e viceversa. Generalmente i trasduttori utilizzano l’effetto piezoelettrico per generare onde sonore o per rilevare segnali eco ricevuti I trasduttori vengono eccitati da corti burst (pacchetti) di energia elettrica da un trasmettitore di impulsi nella strumentazione ad ultrasuoni. In risposta all’eccitazione il trasduttore comincerà a vibrare alla frequenza di risonanza e manderà un impulso sonoro nel mezzo

19. PRINCIPI FISICI DEI MISURATORI DI VELOCITÀ AD ULTRASUONI Effetto Doppler per la valutazione della velocità delle particelle Dato un trasduttore-sorgente, esso è in grado di emettere un ’onda di frequenza fe, che si propagherà in un mezzo le cui caratteristiche consentano una velocità dell’onda pari a c; se quest’onda viene intercettata da un corpo in movimento, con caratteristiche diverse dal mezzo che lo circonda, parte dell’onda intercettata sarà riflessa e un’aliquota dell’onda riflessa andrà a sollecitare un ulteriore trasduttore-ricevente (che si trova nello stesso supporto del trasduttore-sorgente).

20. PRINCIPI FISICI DEI MISURATORI DI VELOCITÀ AD ULTRASUONI Effetto Doppler per la valutazione della velocità delle particelle in seno a un fluido Se il corpo riflettente è in movimento con velocità V la cui direzione forma un angolo q rispetto alla direzione di propagazione dell’onda, la frequenza riflessa dalla particella riflettente (fr) sarà diversa da quella emessa (fe). Nell’ipotesi che la velocità V della particella sia molto inferiore rispetto alla celerità C di propagazione dell’onda, si dimostra che è valida la seguente relazione: dove fd prende il nome di Doppler Shift (Frequenza Doppler), è misurabile ed è proporzionale alla velocità

21. PRINCIPI FISICI DEI MISURATORI DI VELOCITÀ AD ULTRASUONI Effetto Doppler In genere i trasmettitori possono emettere ultrasuoni con varie frequenze: 1, 2, 5 MHz. Fissato l’intervallo atteso della misura, la qualità, ovvero la precisione, della misura migliora scegliendo un’opportuna frequenza di emissione

22. PRINCIPI FISICI DEI MISURATORI DI VELOCITÀ AD ULTRASUONI • La misura delle velocità mediante Doppler ad ultrasuoni può essere realizzata in due modi: • Doppler continuo • Doppler pulsante • Nel Doppler continuo trasmettitore e ricevitore sono due trasduttori fisicamente separati ed entrambi lavorano con continuità. Se l’oggetto riflettente è fermo la frequenza ricevuta fr coincide con la frequenza emessa fe; se l’oggetto è in movimento verso il trasduttore la frequenza ricevuta è maggiore della frequenza emessa; infine se l ’oggetto è in allontanamento dal trasduttore la frequenza ricevuta dal trasduttore è minore della frequenza emessa. • Seguendo questa modalità si possono distinguere le velocità (se diverse tra loro) di più oggetti presenti nel volume di misura, ma non è possibile la loro localizzazione nello spazio, perché, proprio per il fatto che il sistema lavora continuamente, e non in modo pulsante, non si può associare ad un ritardo una distanza dal trasduttore.

23. PRINCIPI FISICI DEI MISURATORI DI VELOCITÀ AD ULTRASUONI • Effetto Doppler • Questo problema viene risolto dal Doppler pulsante • Attraverso un trasduttore viene emesso un burst ultrasonoro di breve durata (un certo numero di cicli di radio frequenza RF). Successivamente, lo stesso trasduttore si pone in attesa dell’eco. Dopo un certo intervallo di tempo il trasduttore emette un nuovo burst, e così via (il numero di burst al secondo, prende il nome di PRF). • Il segnale di ritorno contiene tre informazioni: • la posizione dell’oggetto riflettente (in funzione del ritardo con cui l ’eco raggiunge il trasduttore) • la natura dell’oggetto riflettente (intensità dell’eco) • la sua velocità (Doppler Shift )

24. I MISURATORI DI VELOCITÀ AD ULTRASUONI (ADV) • Misura u, v, w, con sensore ad ultrasuoni (side looking e down looking); • non è provvisto di memoria propria; • frequenza di acquisizione 1-25 Hz

25. I MISURATORI DI VELOCITÀ AD ULTRASUONI (VECTOR) • Misura direzione e intensità di u, v, w attraverso un sensore ad ultrasuoni, il tirante idrico, l’istante di acquisizione, la salinità • frequenza di acquisizione 1-64 Hz • memoria propria 5 Mb

26. I VELOCIMETRI AD ULTRASUONI (ADV+VECTOR)

27. PRINCIPI FISICI DEI MISURATORI ELETTROMAGNETICI DI VELOCITÀ • Natura delle Onde elettromagnetiche • Energia che si propaga alla velocità della luce sotto forma d'onde vettoriali trasversali attraverso lo spazio o mezzi materiali con i quali interagisce, eventualmente trasformandosi in altra forma di energia • Il vettore campo elettrico (E) e il vettore campo magnetico (B) che la costituiscono vibrano perpendicolarmente tra loro e in un piano perpendicolare alla direzione di propagazione della radiazione stessa

28. PRINCIPI FISICI DEI MISURATORI ELETTROMAGNETICI DI VELOCITÀ Legge di Faraday Gli strumenti che misurano la velocità a partire dalla differenza di potenziale che si crea quando un conduttore in moto (l’acqua) attraversa un campo magnetico (legge di Faraday sull’induzione elettromagnetica). La legge di Faraday stabilisce che la differenza di potenziale (V) prodotta in un conduttore in moto è pari al prodotto della velocità (v) del conduttore per l’intensità del campo magnetico (B) e della lunghezza (L) del conduttore.

29. PRINCIPI FISICI DEI MISURATORI ELETTROMAGNETICI DI VELOCITÀ Nel caso dei correntometri elettromagnetici, la lunghezza L è stabilita dalla distanza tra gli elettrodi che misurano V Il campo magnetico viene generato da corrente che passa attraverso un solenoide interno al sensore (e non visibile dall’esterno) Molto spesso si fa uso di corrente alternata che genera un campo magnetico alternato che accoppiato con l’utilizzo di tecniche di misura sincrona della differenza di potenziale che si genera tra gli elettrodi, fornisce delle misure estremamente stabili e poco rumorose. Se si utilizzano due coppie di elettrodi ortogonali è possibile misurare la velocità nel piano orizzontale (Vx, Vy). L’accoppiamento con una bussola elettronica permette di riferire le misure al Nord e all’Est.

30. MISURATORI ELETTROMAGNETICI DI VELOCITÀ IL VALEPORT 808 • lo strumento è bidimensionale • Misura la velocità, attraverso una testa che genera il campo elettromagnetico e da quattro elettrodi ortogonali; • misura salinità e pressione; • ha un sistema di correzione dell’assetto; • frequenza minima 1 dato ogni 2 secondi • memoria di registrazione 1.128 Mb

32. ADV frequenza 1-25 Hz Punto di misura 5 cm sotto sorgente Diametro volume di misura selezionabile 3 – 6 –9 mm Con 3 mm suggeriscono frequenza inferiore a 5 Hz

33. ADV 25 Hz, z=133 cm, H=150 cm

35. Correlazione >70 Low correlation values may indicate problems related to turbulence, signal strength, scatterer density, excessive air bubbles, or problems with the probe itself.

36. Correlazione >70

37. ADV 25 Hz, z=86 cm, H=150 cm La correlazione scende sotto 70

38. Per migliorare la qualità del dato si provano a variare gli estremi dell’intervallo di misura +-3 cm/s, +-10 cm/s, +-30 cm/s; oppure si prova a ridurre la frequenza di acquisizione: 25-16-10 Hz

39. ADV 25 Hz, z=70 cm, H=150 cm

40. ADV 25 Hz, z=133 cm, H=150 cm, z/H=0.89 Frequenza del picco 1.3 Hz, che è la frequenza del moto ondoso. Il vento conferisce energia cinetica al campo di moto. Parte dell’energia cinetica della corrente è associata ai vortici del moto orbitale generato dal vento. Il campo di moto è anisotropo Non va bene la retta –5/3 di Kolmogorov

41. ADV 25 Hz, z=70 cm, H=150 cm, z/H=0.47 A metà della colonna d’acqua il picco nella FFT scompare, cioè spariscono i grandi vortici associati al moto orbitale. L’energia cinetica dei vortici del moto ondoso in parte è stata già dissipata, e in parte è stata già trasferita ai vortici di minore grandezza. Il campo di moto è anisotropo Non va bene la retta –5/3 di Kolmogorov

42. ADV 25 Hz, z/H=0.10 In prossimità del fondo retta –5/3 ok. Scompaiono i grandi vortici del moto orbitale, prevalgono i piccoli vortici a maggiore comportamento isotropo

43. Vector 3 D frequenza 1-64 Hz Diametro volume di misura 1.5 cm Distanza punto di misura 15 cm dalla sorgente dell’ultrasuono Misura pressione, Temperatura Vx,Vy,Vz – East, North, Up (bussola) In pieno campo correlazione molto bassa con 32 Hz, mai provato con 64 Hz. Si è lavorato con 1-16 Hz

44. Vector 16 Hz, z=63 cm, H=100 cm, z/H=0.63 Sensore piezoresistivo Picco FFT 1.3 Hz Periodo onda T=0.8 s Vector 16 Hz, z=45 cm, H=100 cm, z/H=0.45 È sparito il picco Diminuisce la dimensione dei vortici

45. Valeport elettromagnetico 1 dato/20 s; z=70 cm, H=110 cm, z/H=0.64 Intervallo di 10 min, 30 dati No correlazione che misura qualità del dato

46. Valeport ogni 20 s Intervallo di 46 ore Butterworth 1° ordine passabasso frequenza di taglio 6.10-5 Hz No picco in FFT perché corta la serie

47. Il Servizio Idrografico misura il tirante e poi applica il moto uniforme (m=2.5 per le piene), può anche effettuare misure con il mulinello da cui ricavare il solido di portata, e quindi la scala di deflusso: Q=a(H-b)c Ciottoli e ghiaia, per i bassi tiranti, allontanano la corrente dal moto uniforme: cresce l’errore nella stima di Q. La misura del tirante in corrispondenza di uno stramazzo o di un salto riducono l’errore nella stima di Q.

48. Misuratore di portata Area-Velocity Tecnologia ultrasuoni Doppler per le velocità V. Viene sparato un fascio di utrasuoni; si misurano le velocità in alcune centinaia di punti e lo strumento fornisce il valore medio. Non si conoscono le singole misure locali di velocità. Trasduttore di pressione per il tirante h. È noto il legame A(h), per punti o forma nota Q=VA(h) Non bisogna conoscere la scabrezza e la pendenza del canale.

49. Attenta manutenzione perché negli alvei naturali l’interrimento occlude il sensore di pressione. Frequenza acquisizione: un dato ogni 1, 2, 5, 10 … minuti Intervallo livelli 0.05-3.00 m