Com'è fatto un variometro

COME E’ FATTO UN MODERNO VARIOMETRO: INTERVISTA A VINCENZO PIAZZA

C’era una volta una capsula aneroide, da cui partiva un tubo collegato ad un recipiente stabilizzatore aperto sull’ambiente esterno attraverso un capillare. Facendo salire questo dispositivo, la pressione esterna alla capsula diminuiva istantaneamente, mentre quella interna diminuiva un certo ritardo a causa della presenza del tubicino capillare. La differenza tra le due pressioni determinava la misura della salita grazie ad un trasduttore. E variometro fu!


Ho provato a smontare (per carità, voi non fatelo se volete conservare la garanzia) un altivario ed ho cercato senza successo il dispositivo appena descritto. Tutto ciò che ho potuto vedere è stata una scheda con appiccicati una serie componenti elettronici di cui non capisco nulla. A quel punto mi sono fatto numerose domande che, penso si facciano moltissimi piloti: Ma dove cavolo è il variometro? come funziona? Sono tutti uguali? Basta comprare il componente migliore e più costoso per avere il miglior variometro sul proprio strumento? Basta comprare lo strumento più costoso per avere la garanzia che il variometro sia migliore? Queste domande si moltiplicavano e rimanevano senza risposta. Di solito, di fronte all’elettronica mi comporto in un modo: se un TV costa metà di un altro, allora significa che si vede peggio; se uno stereo costa dieci volte quell’altro, necessariamente si deve sentire meglio. Ma questo approccio, a volte, può portare a grosse cantonate. Ho scoperto che potrebbe farlo anche nel campo degli strumenti per il volo libero. Un moderno variometro utilizza sensori allo stato solido i cui dati di rilevazione vengono elaborati dal processore. Pertanto, sembrerebbe che sia sufficiente montare i migliori sensori in commercio e il miglior processore ed il gioco è fatto.



Posto che entrambi i componenti non costano certo centinaia e nemmeno decine di euro, si pensa che le case produttrici inseriscano il meglio all’interno dei loro strumenti, perché qualche euro non fa la differenza. Sbagliato. Da assoluto profano ho cercato di farmi un’idea di come funzionano realmente le cose e mi si sono aperti orizzonti che rasentano la fantascienza. Avrei potuto spiegare il tutto con formule e grafici di cui francamente nemmeno io comprendo molto. Ma non sarei stato utile.
Allora mi sono rivolto a Vincenzo Piazza, più noto come “Vinc”.
Lui ne sa, visto che progetta gli strumenti.

D: Quali sono i parametri che misurano la qualità di un variometro?
R: Da un punto di vista strettamente "elettronico" ci sono due fattori che hanno un effetto sulla "bontà" di un vario: sensibilità e tempo di risposta. La prima è la misura della più piccola variazione di velocità verticale che il vario è in grado di rilevare. Il tempo di risposta è il tempo necessario al variometro per accorgersi di una variazione. Una delle maggiori difficoltà che si incontra nel “costruire” un ottimo variometro è dovuta al fatto che questi due fattori sono in competizione tra loro, perché a parità di sensore e circuito elettronico di lettura del segnale, posso entro certi limiti, aumentare la sensibilità a scapito del tempo di risposta o viceversa.

D: Capisco (meglio, mi pare di capire) che occorre tener conto delle fluttuazioni del sensore che possono essere ridotte ma a discapito di una risposta più lenta. 
R: Esatto.

D: Questo significa che la componentistica elettronica non è sufficiente perché a parità della stessa occorre anche un settaggio ottimale? 
R: Certamente è necessario partire da una componentistica ottima. Ma è ancor più importante prefiggersi un obiettivo ottimale e raggiungerlo attraverso una corretta programmazione. Anche l’assemblaggio e la schermatura è fondamentale, per evitare “rumore” e interferenze; uno spostamento anche minimo di posizionamento dei medesimi componenti nel progetto della scheda elettronica potrebbe comportare risultati alquanto peggiorativi o migliorativi.

D: Ma qual è quindi la risoluzione con cui si può misurare l’altitudine? 
R: In teoria si possono ottenere risoluzioni di un millimetro, ma non è una cosa che in pratica ha senso. Le fluttuazioni di cui parlavamo portano a variazioni, da misura a misura, ben maggiori di un millimetro: l’operazione sarebbe assurda perché sarebbe come cercare di misurare con una precisione di un millimetro l’altezza del mare in prossimità della riva, quando le onde si alzano e si abbassano. Le fluttuazioni si possono ridurre acquisendo più volte il segnale e facendo una media aritmetica dei valori misurati, ma questo va ad incidere – appunto – negativamente sul tempo di risposta.

D: Perché hai usato l’esempio delle onde del mare? 
R: Nel nostro caso abbiamo due aspetti che rendono assurdo dichiarare uno strumento che misura la variazione di altitudine di 1 millimetro: il "rumore" elettronico e le piccole fluttuazioni della pressione atmosferica. Per dirla grossolanamente, i rumori sono più grossi della capacità di risoluzione "elaborata".

D: Che cosa intendi per “rumori”? 
R: E’ un fattore importantissimo, in elettronica. Il rumore è l'insieme di segnali in tensione o corrente elettrica indesiderati che si sovrappongono al segnale utile trasmesso o da elaborare. Il disturbo, invece è un’interferenza. Mentre il disturbo può essere individuato e rimosso, il rumore esisterà sempre. La differenza tra un ottimo variometro ed uno meno buono risiede in buona parte sulla qualità dei componenti elettronici e del progetto, in modo che il rumore sia già in partenza il più basso possibile, sia nella capacità di “gestire” e ridurre il rumore. Il rumore nell’acquisizione delle mere rilevazioni dell’altitudine, viene ulteriormente amplificato quando tali rilevazioni devono essere elaborate per ottenere quello della velocità verticale. Un bel problema.

D: Cioè? 
R: Non dobbiamo immaginarci il rumore come quello di una città, che ha una o più fonti per cui, in teoria, se spegniamo le auto, azzittiamo le ambulanze, i cani e i bambini, otterremmo silenzio. In elettronica non funziona affatto così: il rumore consiste di "fluttuazioni" dovute a proprietà fondamentali della materia. Esso non è eliminabile ed è casuale. Però queste caratteristiche non sono un ostacolo insormontabile. Per ridurre il rumore in un variometro, si possono effettuare più acquisizioni del segnale e farne una media. Quindi il fatto che il tempo di risposta si allunga non è dovuto alla complessità delle operazioni (cosa che potrebbe essere aggirata con un processore migliore) ma al tempo necessario a fare più acquisizioni del segnale per ottenere un singolo dato mediato. Partire comunque da un ottimo sensore e da un disegno accurato del circuito è importante anche perchè l’operazione che permette di calcolare la velocità di salita dai dati di altitudine (una derivata, cioè un'operazione matematica che ti dice la pendenza di una curva) è molto sensibile al rumore. Se hai una curva perfettamente piatta (altezza costante), la derivata (velocità verticale) è zero. Se però alla curva perfettamente piatta sommi il rumore (di qualunque natura), punto per punto la pendenza non sarà più zero, ma varierà in modo casuale.

D: In definitiva potremmo dire, ritornando all’esempio della misurazione dell’altezza del mare con le onde, che non è possibile ottenere un dato affidabile con la precisione di un millimetro con una sola misurazione, ma che se potessimo effettuare milioni di misurazioni e poi fare un media, il dato sarebbe certamente accurato. Quante più misurazioni riusciamo a fare in un istante tanto più sarà efficiente ed accurato il sistema. R: L’esempio più o meno rende l’idea, ma ci sono altri fattori da considerare che renderebbero impossibile comunque raggiungere questo obiettivo. Grosso modo, se si vuole avere una lettura affidabile del variometro con un errore di +/- 0.1 m/s con un tempo di risposta di un secondo, il "rumore" rms (rms= root mean square) del barometro dovrebbe essere inferiore a 0.05 m. D: E quindi? 
R: quindi occorre campionare con una tecnica particolare, cioè fare conversioni multiple per aumentare il numero di bit utili. Campionare significa migliorare i rumori ma perdere in velocità di conversione, perché serve fare un gran numero di campionamenti, cioè di rilevazioni. Se dunque si campiona, ad esempio a 24 bit, un certo numero di bit (diciamo 10) risulta inutilizzabile per via delle fluttuazioni e rumore, quindi anche se converto a 24 bit, i bit utili sono solo 14. Parte dei 10 coperti dal rumore possono essere recuperati per ottenere ad esempio 16, 17 bit o anche più di risoluzione reale. Non posso dirti quale sia il dato reale dei miei progetti, perché è un segreto che custodisco con gelosia, ovviamente, ma posso dirti che sono molto soddisfatto del mio lavoro. C’è chi campiona a 16, chi a 18, chi a 24. Ma il dato in sé non è tutto, occorre misurare quanti bit si possono ottenere di risoluzione reale e non nominale: è qui che si fa la differenza.

D: Quindi possiamo dire che dal tuo progetto messo in pratica su CPilot, la risoluzione è stimabile in più o meno una decina di centimetri al secondo? 
R: Noooo! Molto, ma molto meno!

D: Dieci volte meno? 
R: Questo è un mio segreto, ma non ti sei sbagliato di molto.

D: Insomma, se il vario mi segna che sto salendo a 1.5 metri al secondo posso attendermi un errore di +o- 2 centimetri al secondo? 
R: Circa… fuochino.

D: anche su uno strumento molto piccolo come il Beepper? 
R: Il Cpilot è un po’ meglio, ma il Beeper si avvicina molto. D: Beh, mi pare che di più non si possa chiedere …
R: Chissà … .

Intervista di Luca Basso