Rotazione: misurazione semplice di un fenomeno complesso

Nel nostro catalogo, insieme a logger che misurano la temperatura, la pressione e altre grandezze fisiche, è presente uno strumento adibito alla misurazione della rotazione.

Ciò suscita in molti clienti una certa curiosità. Abbiamo, quindi, deciso di scrivere questo articolo per spiegare l’utilità di questo data logger. Scoprirai che la misura della rotazione non è semplice come può sembrare a prima vista ma richiede alcuni concetti di fisica, matematica e geometria. Ti racconteremo infine come è nato il nostro data logger di rotazione, partendo dalla richiesta iniziale fino alla messa a punto del sistema di misurazione.

Rotazione e sterilizzazione: un’accoppiata vincente

La sterilizzazione è un processo che punta a eliminare la carica batterica in un alimento mediante l’esposizione dell’alimento ad alte temperature (in genere superiori a 100°C).

In realtà la temperatura all’interno di un prodotto non è mai uniforme. Pensiamo, ad esempio, ad un barattolo di pomodoro. Se viene riscaldato con un processo termico, all’inizio si scalderà il vetro o il metallo, dato che è a contatto diretto con l’esterno. Successivamente, il calore si diffonderà prima nel pomodoro più vicino al vetro o al metallo, e poi negli strati più interni.

La logica conseguenza è che il pomodoro al centro del barattolo mantiene più a lungo una temperatura inferiore rispetto al prodotto vicino alle pareti, quindi i batteri hanno maggiori chance di trovarvi un’oasi di sopravvivenza da cui tornare a diffondersi contaminando il prodotto.

Si potrebbe pensare che, aumentando la temperatura del processo di sterilizzazione, il problema venga risolto. Infatti, saremmo sicuri di raggiungere temperature sufficientemente alte anche negli strati più interni. Ma questo può portare al degrado degli strati esterni, alla modifica del gusto, della consistenza o alla perdita di alcune proprietà organolettiche dell’alimento. Ecco perché non è una soluzione sempre applicabile.

Per ovviare a questi inconvenienti c’è una tecnica semplice quanto efficace: il rimescolamento. Muovere le parti del prodotto permette di distribuire il calore in modo il più possibile uniforme. Chiunque abbia cucinato un risotto alla milanese o abbia scaldato del sugo in padella, sa di cosa stiamo parlando!

Quello che in cucina è semplice, cioè amalgamare con un mestolo o un cucchiaio, diventa impraticabile nelle autoclavi per sterilizzazione.

Tuttavia, c’è un’alternativa semplice ed efficace: la rotazione. In questo modo il rimescolamento del prodotto, con la conseguente distribuzione uniforme del calore, è garantisce l’unifirmità del riscaldamento.

Questo è proprio ciò che avviene nelle autoclavi rotative. Il prodotto viene inserito in queste speciali autoclavi dotate di un corpo interno che gira su sé stesso, in modo analogo al cestello di una lavatrice.

Così come la temperatura, la pressione e l’umidità, anche la rotazione va garantita. A prima vista ciò può sembrare semplice. In realtà, il fenomeno della rotazione è complesso. Per essere compreso va descritto nelle sue basi matematiche.

Consideriamo un barattolo di piselli in scatola e vediamo solo alcuni assi di rotazione degli infiniti possibili: un asse che parte dal centro del coperchio e va perpendicolarmente alla base, un asse che va da metà del barattolo alla parte opposta ed un asse parallelo all’asse assiale ma esterno al barattolo (come se il barattolo fosse fissato sul cerchio esterno di una ruota che gira).

Tutte queste rotazioni (ma non solo queste) hanno la proprietà di mischiare il contenuto.

Alla base di tutto c’è la forza di gravità g=9,8m/s² che fa sì che le parti più alte vengano attratte verso terra (anche quelle più basse vengono attratte, ma sono bloccate dal contenitore).

Possiamo quindi dire che si ha miscelazione solo se il prodotto non è solido ed è sottoposto ad una forza di attrazione e ruota attorno ad un asse (salvo eccezioni). Sulla base spaziale non sarebbe quindi possibile perché in assenza di gravità (la gravità in realtà agisce, ma è compensata dalla forza centrifuga dovuta alla rotazione della stazione).

Comunque siamo sulla terra e consideriamo la gravità g.

Nelle coordinate dello spazio X, Y e Z si hanno le tre componenti di g: gx gy e gz., e la somma vettoriale delle 3 componenti deve essere 1 (se g=1), cioè la radice quadrata della somma dei quadrati di gx gy e gz deve essere 1.

Ci sono casi in cui il barattolo gira, ma le componenti non variano: se il barattolo è in piedi sul tavolo e facciamo un segno sulla parete del barattolo si ha gz =1 e gx e gy sono uguali a zero qualsiasi sia l’orientamento del segno sul barattolo. In questa condizione non si ha neppure miscelazione.

Se l’asse di rotazione è inclinato le tre componenti sono diverse da zero e si ha sempre miscelazione.

Come si vede il problema non è banale.

Monitoraggio della rotazione: come nasce il data logger

Siamo stati contattati da un ente di ricerca e consulenza che supporta le aziende alimentari italiane. Ci è stato richiesto un sistema per monitorare il numero di giri a cui dei barattoli di conserve vengono sottoposti durante un ciclo di sterilizzazione in un'autoclave rotante.

È importante che le rotazioni siano uniformi. In questo modo è possibile ottenere una sterilizzazione omogenea del contenuto dei barattoli in tutte le posizioni dell'autoclave.

Fino a quel momento non avevamo mai misurato le rotazioni di un’autoclave, quindi non avevamo dei logger pronti all’uso.

Ma non era un problema: la missione di Tecnosoft è fornire dati utili all’utente tramite sistemi di misurazione dedicati a specifiche applicazioni. Quindi, ci siamo messi a studiare una soluzione.

Come abbiamo illustrato nei precedenti paragrafi, misurare la rotazione non è banale. Ci sono molte variabili in gioco e c’è una matematica molto articolata da applicare.

Di conseguenza, avevamo bisogno di un sensore in grado di registrare una grandezza fisica da cui derivare tutti i dati richiesti mediante calcoli matematici.

La scelta è ricaduta sull’accelerometro triassiale.

Misurare la rotazione con l’accelerometro

L’accelerometro, che come suggerisce il nome è un misuratore di accelerazione.

Il sensore che abbiamo scelto, cioè l’accelerometro triassiale con tecnologia MEMS, è composto da 3 sensori di accelerazione, ognuno orientato lungo gli assi cartesiani x, y, z.

Non c’era altro da fare che abbinare l’accelerometro triassiale ad un logger per il monitoraggio dei dati. Abbiamo scelto S-MicroW che si prestava bene allo scopo per via delle sue dimensioni ridotte e per la sua resistenza alle alte temperature e pressioni.

Abbiamo quindi sviluppato un software ad hoc che trasforma i dati ottenuti in una simulazione 3D delle rotazioni subite dal logger. È possibile vedere la posizione nello spazio del barattolo acquisizione per acquisizione e vedere l'evoluzione dinamica delle rotazioni con velocità diverse scelte dall’utente.

Questa è la storia del nostro Rotator. Un logger che vede la luce dallo studio di soluzioni per esigenze specifiche, come da tradizione Tecnosoft.

Se anche tu hai bisogno di un data logger ad hoc per le tue misurazioni, contattaci!