Il Vibrometro è uno strumento largamente utilizzato in ambito industriale, per monitorare lo stato di funzionamento di una macchina (pompe per vuoto, motori trifase, e così via), ma anche in ambienti di ricerca dove si rende necessario misurare componenti armoniche (moti ondosi, il vento, o la variazione altimetrica).
Il progetto consta di pochi elementi (un display LCD, alcune resistenze, un piezo, un potenziometro, e naturalmente Arduino), ma espone in dettaglio concetti chiave quando si progetta un’applicazione che coinvolge l’acquisizione di segnali analogici, e la loro interpretazione per l’estrazione delle informazioni. L'utilizzo, inoltre, della piattaforma open source Arduino consente a chiunque ne abbia la voglia, e le capacità, di partecipare attivamente alla realizzazione di librerie per facilitare gli stessi sviluppatori (meno avvezzi al mondo informatico) nella messa in opera di progetti sempre più complessi ed articolati.

Introduzione

Il vibrometro (Figura 1), come anticipato, è un noto strumento utilizzato in ambito industriale, e non solo, per monitorare lo stato di funzionamento di una macchina, in particolare delle sue componenti meccaniche. Ad esempio, se all'interno di una catena di produzione una pompa o un motore si distaccano dal proprio alloggiamento essi inizieranno a vibrare con una frequenza superiore rispetto a quella nominale di lavoro. Tale variazione sarà misurata attraverso un opportuno sistema HMI (Human Machine Interface, Interfaccia Uomo Macchina), come un sistema SCADA (System Control and Data Acquisition, Sistema per il Controllo e l’Acquisizione dei Dati), che farà scattare un allarme richiedendo l’intervento di un operatore e, a seconda della gravità del caso, potrà arrivare addirittura al distacco dell’alimentazione bloccando l’intero processo di lavorazione.

Figura 1: Vibrometro commerciale per misure sul campo.

Il vibrometro, come quello riportato in Figura 1, può essere utilizzato, avvalendosi di un nastro riflettente o di una ruota con contatto ottico, come tachimetro dunque per misurare la velocità istantanea di un motore o, più in generale, di un qualunque dispositivo. I principi fisici che ne regolano il funzionamento sono diversi, ad esempio, si utilizza una struttura del tipo massa-molla-smorzatore, tipica degli accelerometri (Figura 2), o ancora cristalli piezoelettrici (Figura 3), noti per la loro polivalenza: possono fungere da speaker, quindi produrre suoni (vibrazioni che spostano le molecole d’aria), se ai loro capi si applica una differenza di potenziale oppure da trasduttori se soggetti a vibrazioni, in questo caso ai loro capi leggeremo una differenza di potenziale (ecco spiegata la polivalenza).

Figura 2: Sistema Massa-Molla-Smorzatore di un Accelerometro.

Figura 3: Schema di funzionamento di un cristallo piezo-elettrico.

Alcuni dispositivi inglobano al loro interno dei filtri numerici regolabili che sopprimo gli eventuali rumori di fondo consentendo la misura di vibrazioni ad una specifica frequenza; in questo caso si parla di strumenti da banco.

L’idea alla base del progetto

Chiarito a linee generali cosa sia un vibrometro, le branche di utilizzo dello strumento, ed accennati i principi fisici che ne regolano il funzionamento, passiamo ad illustrare l’idea alla base del progetto, tanto semplice quanto ingegnosa. Per l’acquisizione delle vibrazioni faremo uso di un cristallo piezo elettrico, semplicemente chiamato piezo, che sottoposto ad una pressione (la nostra vibrazione) genera una differenza di potenziale acquisita dall'ADC (Analog Digital Converter, Convertitore Analogico Digitale) del microcontrollore. La presenza di una tensione non nulla sui pin di input di Arduino incrementerà lo stato di un contatore, il cui valore verrà mostrato in real-time sul display LCD. È possibile parlare di azioni in real-time perché le vibrazioni hanno un periodo di generazione (intervallo temporale tra una vibrazione e la successiva) che è superiore, di almeno un ordine di grandezza, rispetto al tempo di l’elaborazione (dell’ordine dei millisecondi, ms). Ricordiamo, infatti, che l’ipotesi di sistema real-time sussiste se il dispositivo di controllo, tra un dato ed il successivo, permane in uno stato di idle (attesa) per un tempo non nullo. In sintesi, si può parlare di sistema real-time se i tempi di elaborazione sono inferiori rispetto a quelli con cui giungono i dati. Per il progetto in questione ci focalizzeremo sull'acquisizione di vibrazioni (ricevute sotto forma di colpi di una penna sfera) contenute all'interno di uno specifico range frequenziale (fisseremo delle soglie all'interno del software), non prendendo, dunque, in considerazione l’intero intervallo delle frequenze possibili. La scelta è da imputare alla scarsa risoluzione del convertitore ed al tempo di esecuzione dell’applicazione, oltre che al piezo non consono per essere utilizzato come trasduttore per frequenze elevate (vedi dettagli riportati in Tabella 1). Infatti, se aumentassimo la frequenza delle vibrazioni, conseguentemente riducessimo il periodo, perderemmo l’ipotesi di sistema real-time, che invece è la chiave di lettura dell’articolo. Completiamo la descrizione del progetto fornendo la definizione di trasduttore, ottima per tutti coloro che non masticano troppo di queste cose. Un trasduttore è un dispositivo che converte la variazione di grandezza fisica (le vibrazioni) in variazione di grandezza elettriche (la differenza di potenziale). Due gli intervalli di funzionamento:

• Campo di misura (input range) è l’intervallo di valori del misurando (grandezza che si intende misurare) entro il quale il trasduttore funziona secondo le specifiche. Il suo limite superiore è la portata.
• Campo di sicurezza del misurando: intervallo di valori del misurando al di fuori del quale il trasduttore resta danneggiato permanentemente. I suoi valori estremi sono detti di overload (sovraccarico) o overrange (fuori scala).

Queste informazioni, contenute all'interno dei datasheet, sono molto importanti perché ci consentono prima di tutto di non danneggiare il dispositivo (fornendo una tensione di alimentazione più alta di quella di lavoro), ed in secondo luogo, ma non per questo meno importante, di capirne la portata, il sovraccarico ed il fuori scala. Ad esempio, il nostro piezo non è in grado di misurare frequenze dell’ordine dei GHz, ma solo frequenze nell’intervallo da 200 Hz – 5 kHz. Il funzionamento dell’intero sistema è mostrato nel video disponibile al link.

Il Potenziometro

Il potenziometro o trimmer è un dispositivo equivalente ad un partitore di tensione resistivo variabile (cioè a due resistori collegati in serie, aventi la somma dei due valori di resistenza costante, ma di cui può variare il valore relativo).

Figura 4: Potenziometro lineare.

Il potenziometro lineare (Figura 4 e 5) è costituito da un cilindro isolante su cui è fittamente avvolto un filo metallico con resistività opportuna, le due estremità sono connesse [...]

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