SITI: Sistema Integrato per Test di Infiammabilità

Author(s):
A. Materassi - CNR, ISTITUTO DI BIOMETROLOGIA
G. Fasano - CNR, ISTITUTO DI BIOMETROLOGIA

Industry:
Research

Products:
LabVIEW, Data Acquisition

The Challenge:
Sviluppare un sistema per la misura dei parametri di infiammabilità di materiali incoerenti, facilmente configurabile e in grado di: visualizzare le routine di set-up relative sia alle impostazioni dei set-point sia alle modalità di esecuzione delle misure, mostrare l’immagine termica dei campioni, registrare i momenti di inizio e di fine delle varie fasi di combustione.

The Solution:
Concentrare tutto (gestione degli attuatori, dei controlli, degli allarmi, dei misuratori e dei visualizzatori) in un unico dispositivo, computer, con un unico software facilmente configurabile per ogni specifica applicazione.

Breve riassunto
Da tempo sono ben definiti i concetti di infiammabilità, combustibilità, indice di ossigeno, ecc. per i materiali da costruzione (edilizia, trasporti, ecc.) e altrettanto chiaramente sono state standardizzate le procedure e le apparecchiature per la misura di questi parametri. Per i materiali non riducibili a provini di forme e dimensioni prestabilite, come il materiale vegetale (foglie, rametti, lettiera forestale, ecc.), non sono state ancora formulate definizioni altrettanto rigorose e, conseguentemente, non sono state standardizzate le procedure per la misura di detti parametri.
In questo lavoro proponiamo un dispositivo, da noi progettato e realizzato, che consente di eseguire prove di infiammabilità su campioni di materiale vegetale in condizioni controllate e riproducibili in un’ampia gamma di combinazioni di diversi parametri fisici.

Articolo
La stima del rischio di incendio boschivo necessita della conoscenza sia di parametri bioclimatici sia di parametri più strettamente collegati alle specie vegetali presenti nell’area (infiammabilità, contenuto idrico della vegetazione, composizione chimica, ecc.). È noto, infatti, che il comportamento del fuoco è influenzato dal tipo di combustibile vegetale.

L’hardware
Il SITI è composto fondamentalmente da tre parti:
- Un cratere cilindrico (diametro 100 mm, profondità 20 mm) dentro il quale si inserisce il campione vegetale (A in Fig. 1 );
- Un epiradiatore a tronco di piramide a base ottagonale, a quattro piastre radianti, centrato sul cratere e traslabile sulla verticale di questo, con un sistema a cremagliera (nell’ordine B e C in Fig. 1);
- Un sistema computerizzato per il controllo dei parametri termodinamici e per l’elaborazione dei dati rilevati.
Il cratere sormonta un cilindro, che lo isola dall’ambiente, e dentro il quale sono inserite due resistenze elettriche; (una per riscaldare il cratere, l’altra per riscaldare l’aria, insufflata nel cilindro da un ventilatore centrifugo, e distribuita all’interno del cratere attraverso una fessura che gira intorno al bordo del cratere stesso).
Nell’epiradiatore le quattro piastre radianti sono inserite, all’interno delle facce del tronco di piramide ottagonale, alternativamente. Due delle facce esterne dell’epiradiatore hanno la parete trasparente per consentire, separatamente, la registrazione dell’immagine infrarossa e di quella visibile della combustione del campione.
Sull’epiradiatore è montato un dispositivo di innesco elettrico, a potenza regolabile. Ovvero, una resistenza che, portata all’incandescenza, avvia la combustione del campione, quando l’epiradiatore è abbassato sul cratere.

Il software
La gestione dello strumento è effettuata da un programma scritto in linguaggio LabVIEW di National Instruments
I riscaldatori sono gestiti mediante tre controlli indipendenti di tipo PID (Proporzionale Integrativo Derivativo) i cui valori di set-point possono essere impostati dall’operatore tramite una routine dedicata la cui schermata è riportata in figura 2. Tramite la stessa routine è possibile impostare la velocità dell’aria e la potenza elettrica applicata al dispositivo di innesco (Fig. 2) oltre a diverse modalità di esecuzione delle misure (Fig. 3). Durante la misura l’acquisizione dei dati avviene quattro volte al secondo e con la stessa frequenza si memorizzano su disco sia i dati del radiometro multipunto sia quelli degli altri sensori. Il display è aggiornato una volta al secondo, i dati visualizzati sono la media delle quattro misure acquisite in questo intervallo di tempo.
Tramite sei finestre possono essere visualizzati i parametri di funzionamento del sistema:
- Istantanee dell’andamento temporale dell’immagine termica (Fig. 4);
- L’ultima immagine termica catturata (ultimo snapshot);
- L’andamento temporale, a scelta, di una delle sette temperature misurabili: piastra radiante, cratere, aria insufflata nel cratere, aria a 10 mm dal cratere, aria ambiente, termometro infrarosso, media dei pixel centrali del radiometro multipunto;
- Gli andamenti temporali delle temperature dei tre riscaldatori: epiradiatore, cratere, aria insufflata nel cratere;
- I valori di set point delle temperature controllate;
- La diagnostica del sistema.
L’immagine prodotta dal radiometro multipunto, che ha una risoluzione di 16x16 pixel, può essere interpolata via software fino a 128x128 pixel.
In ogni momento è possibile memorizzare un’istantanea dell’immagine termica con relativo numero sequenziale e con l’indicazione del tempo trascorso dall’inizio della misura; in contemporanea vengono memorizzati tutti gli altri dati di temperatura.
Tutti i dati salvati, ad eccezione delle immagini istantanee, possono essere letti con qualsiasi foglio elettronico; inoltre è previsto un software di rilettura che permette di riprodurre, con diverse modalità, l’evoluzione dell’immagine termica.
Durante la fase di misura il SITI può essere gestito, oltre che tramite l’interfaccia utente del computer, tramite un telecomando dotato di due pulsanti, che permettono, insieme al sensore di posizione, sia l’accensione e lo spegnimento del dispositivo di innesco sia l’avvio e l’arresto della memorizzazione dei dati.
Contemporaneamente alla registrazione dell’evoluzione della combustione nell’infrarosso è possibile, con una telecamera digitale, registrare la combustione nel visibile.

Risultati e conclusioni
L’apparato, allo stato attuale, con la temporizzazione delle immagini e delle temperature, consente di stabilire sia le principali fasi del processo: preignizione, ignizione, combustione, estinzione, sia i principali parametri dell’infiammabilità: accendibilità, sostenibilità, combustibilità, consumabilità.
Chiudiamo evidenziando le caratteristiche che distinguono il SITI dagli adattamenti, che sono stati fatti, dei sistemi già esistenti per i provini tecnologici:
 Il sistema è completamente gestito elettricamente, mentre gli altri, primo fra tutti il Cono Radiante dell’International Standard Organization, attuano l’innesco della combustione dei provini con una piccola fiamma a gas, che non è regolabile in temperatura e complica assai la meccanica dell’apparato;
- Tutto il sistema di misura e di controllo è computerizzato;
- Tutti i parametri termodinamici sono registrati numericamente in funzione del tempo; sono inoltre registrabili le immagini, nell’infrarosso e nel visibile, dell’evoluzione della combustione dall’innesco all’incenerimento;
- I momenti topici della combustione: innesco e preignizione, ignizione, combustione con e senza fiamma, estinzione e altri a discrezione dell’utilizzatore, possono essere evidenziati e temporalmente marcati sulle immagini registrate.
Vogliamo infine esplicitare un parametro non tecnico: il costo di realizzazione. Questo, data la semplicità della struttura meccanica, è decisamente inferiore al costo di altre realizzazioni che hanno strutture più complesse e apparati di misura e controllo non centralizzati in un unico sistema computerizzato.

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A. Materassi
CNR, ISTITUTO DI BIOMETROLOGIA
a.materassi@ibimet.cnr.it

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