MISURA DI FLUSSO CON TRASDUTTORI PIEZOELETTRICI AD ULTRASUONI: METODO E VALIDAZIONE SPERIMENTALE

The objective of this thesis is to validate a method for measuring fluid flow using ultrasonic sensors. To this end, a pair of piezoelectric capsules operating at a nominal frequency of 40 kHz, taken from a commercial HC-SR04 module, were used as electroacoustic transducers. The design and simultaneous construction of a dedicated test bench enabled the execution of an experimental campaign. Specifically, the main duct—based on the characteristic geometry of a Venturi tube—was fabricated using 3D printing. Airflow was generated by a fan driven by a pulse-width-modulated (PWM) signal, while the generation of the drive signals and the subsequent acquisition of the sensors’ electrical responses were entirely coordinated using the Moku:Go multimeter. This thesis is organized according to a well-defined structure. First, an overview is provided of the state of the art and scientific literature in the field of ultrasonic flowmeters and their main sources of uncertainty. The central section of the paper describes in detail the materials, methods, and engineering steps that led to the construction of the measurement bench. Finally, the last part is entirely dedicated to discussing the results obtained from the tests performed on the measurement bench.

Il presente lavoro di tesi si propone l'obiettivo di validare una metodologia di misura di flusso mediante l'impiego di sensoristica a ultrasuoni. A tale scopo, come trasduttori elettroacustici è stata impiegata una coppia di capsule piezoelettriche operanti alla frequenza nominale di 40 kHz, mutuate da un sensore commerciale HC-SR04. La realizzazione di un banco di prova dedicato ha consentito l'esecuzione di una campagna sperimentale. Nello specifico, il condotto principale (basato sulla geometria caratteristica di un tubo di Venturi) è stato realizzato tramite stampa 3D. La movimentazione del flusso d'aria è stata affidata a una ventola pilotata da un segnale in modulazione di larghezza di impulso (PWM), mentre la generazione dei segnali di pilotaggio e la successiva acquisizione delle risposte elettriche dei sensori sono state interamente coordinate tramite il multistrumento Moku:Go. L'elaborato si articola secondo una struttura ben definita. Inizialmente, viene offerta una panoramica dello stato dell'arte e della letteratura scientifica nell'ambito dei flussometri a ultrasuoni e le loro principali cause di incertezza. La sezione centrale del lavoro descrive in dettaglio i materiali, i metodi e le fasi ingegneristiche che hanno condotto alla realizzazione del banco di misura. Infine, l'ultima parte è interamente dedicata alla discussione dei risultati ottenuti dai test eseguiti sul banco di misura, analizzando i limiti fisici riscontrati e validando le diverse metodologie di elaborazione del segnale investigate.