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La misura di una massa avviene per mezzo di bilance ed è completamente inutile misurare la massa dell'aria sulla Terra, perché il suo peso è noto.
Detto per inciso, per determinare la massa di un gas all'interno di uno spazio chiuso, in quiete, bisogna conoscerne tre grandezze: volume, pressione e temperatura.
Un metro cubo d'aria pesa esattamente un kilogrammo nella stragrande maggioranza delle condizioni sul nostro pianeta.
Il debimetro non è quindi un misuratore di massa, ma di portata in massa e non viene utilizzato solo in applicazioni automobilistiche, ma anche in molti altri ambiti industriali.
La portata in massa si può considerare, per semplicità, la variazione della massa rispetto al tempo o, dividendo per la densità, di un volume rispetto al tempo e quindi del prodotto di una superficie per una velocità. Quest'ultimo concetto tornerà utile nel seguito.
Il problema tecnologico che si vuole risolvere con i misuratori di portata è quello generale di fornire ad un qualsiasi dispositivo di acquisizione un segnale proporzionale alla portata in massa del fluido in esame che può essere aria, gas, acqua o altro.
Nella foto che precede sono rappresentati due debimetri di moderna generazione per impieghi automobilistici.
Indipendentemente dalle funzionalità dell'elettronica che lo anima, il debimetro altro non è che uno strumento in grado di rilevare una differenza di potenziale ai capi di una resistenza elettrica, spesso di platino, al variare della resistenza stessa.
Si potrebbe pensare che per raggiungere lo scopo basti un voltmetro ed infatti il concetto di base è proprio quello.
Più in particolare la tecnologia dei debimetri automobilistici è basata sui concetti di base di un noto strumento di misura che si chiama termometro a filo caldo.
Come è ovvio intuire i termometri a filo caldo vengono impiegati per misurare la temperatura, niente a che vedere in apparenza con la misura della massa di un gas, dell'aria nel nostro caso.
Ma veniamo innanzi tutto a come un termometro a filo caldo sia utilizzato per misurare la temperatura.
Segue lo schema di un termometro a filo caldo:
La resistenza elettrica dei materiali conduttori varia (tra gli altri fattori) con la loro temperatura; le leggi che descrivono tale variazione sono caratteristiche di ciascuno di essi.
E' esperienza comune che soffiando su un corpo questo si raffreddi e che quindi, per quanto sopra, la sua resistenza cambi valore.
Se immaginiamo a questo punto di iniettare all'interno di un segmento di materiale conduttore una corrente costante, una qualsiasi variazione della resistenza dello stesso provocherà un cambiamento della differenza di potenziale ai suoi capi.
Se tale variazione di resistenza sarà dovuta ad una variazione della temperatura del conduttore, ecco che la variazione di potenziale sarà legata alla variazione di temperatura medesima.
Quindi, rilevando la differenza di potenziale ai capi del conduttore, si ricaveranno informazioni circa la temperatura dello stesso, essendo le due grandezze, resistenza e temperatura, legate da una relazione caratteristica per il materiale in esame.
Siamo quindi in grado di conoscere la temperatura di un fluido che sia in movimento o meno, immergendo all'interno dello stesso il termometro a filo caldo.
Certo, difficilmente, se il fluido non è in condizioni stazionarie e non si è aspettato abbastanza tempo, la temperatura del conduttore sarà esattamente quella del fluido, ma trascuriamolo per semplicità.
Passiamo adesso a schematizzare in maniera semplice e generale il funzionamento del debimetro.
Supponiamo per semplicità di avere a disposizione due termometri a filo caldo: uno immerso nel fluido in movimento (lo chiameremo A') e uno immerso nello stesso fluido, ma in quiete (lo chiameremo B').
Per chiarire il concetto basti pensare di immergere il termometro A' all'interno di una corrente d'aria e che il termometro B' venga immerso nella stessa corrente, ma con una schermatura atta ad impedire alla corrente di lambirlo direttamente.
E' intuibile che i due termometri rileveranno una diversa temperatura.
Le temperature lette dai due termometri sono uguali solo nel caso in cui il fluido sia in quiete, cioè di velocità dell'aria uguale a zero e la loro differenza aumenta, a parità di altri fattori, proporzionalmente alla velocità del flusso d'aria, perché più il flusso è veloce, più il termometro A' viene raffreddato.
Senza entrare nel dettaglio della matematica, dalla lettura del termometro B' si possono ricavare informazioni circa la densità dell'aria, dal momento che si considera la pressione costante (del valore di una atmosfera).
Per inciso la variazione della densità dell'aria tra le zone A' e B' è tracurabile.
La centralina dell'impianto di iniezione leggerà variazioni di differenza di potenziale ai capi dei due conduttori A' e B', analogamente a come noi leggiamo differenze di temperatura.
Chiamiamo la differenza di potenziale ai capi di A': X' e la differenza di potenziale ai capi di B': Y'.
Il valore X' meno Y' ci fornisce una stima Z' della velocità dell'aria, la cui densità, anche, è stimata come sopra specificato.
Moltiplicando la sezione di passaggio dell'aria (che si ottiene a partire dal diametro del debimetro) per il valore Z' e quindi per la densità stimata, si ottiene una stima della portata in massa che fluisce all'interno del dispositivo.
Quindi è chiaro come un debimetro automobilistico consenta di fornire alla centralina di iniezione un segnale di valore proporzionale alla portata in massa dell'aria aspirata dal motore.
Che poi questo valore sia corretto da altre tabelle memorizzate all'interno della memoria della centralina è un altro discorso, che rientra nella sperimentazione con cui viene tarato e portato a funzionare un motore a combustione interna.
Questa breve spiegazione sul funzionamento del debimetro potrebbe essere integrata da considerazioni sulle leggi della convezione, ma la complicazione dell'argomento andrebbe oltre lo scopo di questo articolo.
Passiamo adesso alla descrizione di un debimetro meccanico, chiamato spesso a paletta', raffigurato nella foto soprastante e battezzato AFM' cioè Air Flow Meter dagli anglosassoni.
Questo tipo di debimetro è molto più vecchio in termini tecnologici del debimetro a film caldo descritto precedentemente, più soggetto alle oscillazioni della colonna d'aria aspirata, più strozzante per l'aspirazione (maggiori perdite di carico), ma al tempo stesso più robusto del primo.
Il suo funzionamento si basa su un concetto molto semplice: l'aria aspirata al suo interno viene intercettata da un flap (paletta) di metallo incernierato esattamente come una porta e lo spinge, provocandone la rotazione.
Il flap è collegato al telaio del debimetro con una molla a spirale, allo scopo di riportarlo in posizione di riposo, quando il flusso d'aria cessa.
Più nel dettaglio, l'aspirazione del motore causa una differenza di pressione tra monte e valle del debimetro tale che, moltiplicata per la superficie del flap, crea una forza sufficiente da vincere la resistenza della molla che lo collega al telaio, consentendone la rotazione.
All'interno del coperchio sigillato nero, visibile nella foto, si trova un potenziometro a strato ceramico che invia alla centralina un segnale proporzionale all'angolo di apertura del flap.
Per la rilevazione della temperatura del flusso d'aria, nel debimetro a paletta, viene utilizzato un termistore (sensore di temperatura aria o ATS, Air Temperature Sensor) montato in posizione centrale e anteriore rispetto al flap, protetto da una gabbia di plastica.
Il termistore è costituito da una lega metallica particolare, studiata con lo scopo di realizzare un conduttore la cui resistenza diminuisca con l'aumentare della temperatura.
Come possiamo notare il concetto di base resta sempre lo stesso.
A differenza del termometro a filo caldo, il termistore ha una resistenza molto più elevata e la sua curva di graduazione non è lineare.
La centralina riceve quindi in ingresso due segnali: uno relativo alla rotazione del flap e uno relativo alla temperatura del flusso d'aria.
Come è stato precedentemente specificato, l'apertura e quindi la rotazione del flap è provocata dalla differenza di pressione che insiste a monte e a valle del debimetro, ma per motivi che coinvolgono la dipendenza della forza applicata dall'angolo di rotazione, che in questa sede è inutile approfondire, tale rotazione non varia linearmente con la differenza di pressione.
Tale dipendenza non lineare tra angolo di rotazione e depressione di aspirazione si trasferisce anche nella relazione che lega la velocità del fluido attraverso il debimetro e, quindi, la sua portata volumetrica, al variare del medesimo angolo.
Nel caso del debimetro meccanico, quindi, non si ha propriamente una stima della portata in massa di aria, ma piuttosto un segnale proporzionale alla portata volumetrica dell'aria aspirata.
Questo segnale viene corretto ed elaborato dalla centralina di iniezione a mezzo della lettura del sensore ATS e di altre costanti (ad esempio costante di iniezione e voltaggio batteria).
La trasformazione da portata volumetrica a portata in massa avviene quindi con calcoli interni alla centralina.
E' utile, a questo punto, fare alcune precisazioni.
Sia nel caso del debimetro a filo caldo che del debimetro meccanico sono le scelte progettuali e la sperimentazione del motore sul banco che consentono di programmare la centralina in modo da ottimizzare le performances a partire dai segnali inviati dai vari sensori.
L'importante, infatti, è che la centralina, ricevuto in input un certo numero di segnali provenienti da sensori qualsiasi ' possa gestire correttamente l'anticipo di accensione e i tempi di iniezione.
Quindi non è tanto importante l'informazione che viene inviata (che sia proporzionale ad una portata in massa o in volume) quanto il modo in cui questa informazione viene elaborata' dalla centralina stessa, cioè gli algoritmi con cui vengono gestiti i vari sensori allo scopo di pilotare gli attuatori (ad esempio gli iniettori).
Da tener presente che tali algoritmi molto spesso non sono la traduzione di leggi fisiche, ma sono inventati appositamente per il corretto funzionamento del motore.
In questa ottica, la domanda che spesso si sente: ma il debimetro misura la massa o il volume?' riceve una immediata risposta.