James Watt, il regolatore a sfera volante e i primi circuiti di controllo di processo
Avete mai sentito qualcuno usare il termine "balls out"? Sapete, nel senso di dare il massimo o di impegnarsi al massimo.
Come un allenatore di pallacanestro che spiega la sua strategia alla squadra durante l'intervallo di una partita: nella seconda metà daremo il massimo in difesa.
Oppure uno studente universitario che passa la notte in bianco a studiare per un esame di metà semestre: darò il massimo da ora fino al test di domani.
Ma vi siete mai chiesti dove deriva questo termine? Beh, la verità è che probabilmente non ha il significato che pensate.
Grande Scott: James Watt (30 gennaio 1736 – 25 agosto 1819)
Per conoscere le vere origini del termine, dobbiamo tornare alla fine del XVIII secolo, quando l'inventore e ingegnere meccanico scozzese James Watt era alla ricerca di un modo per regolare automaticamente la velocità di un motore a vapore.
A quel punto, Watt aveva già avuto un impatto incredibile sull'evoluzione del motore a vapore. Il motore Watt, una delle tante invenzioni di Watt e un miglioramento del primo motore Newcomen, contribuì a cambiare il mondo, inaugurando la rivoluzione industriale e dando il via alla modernizzazione della vita quotidiana.
Il regolatore a sfera volante e l'automazione iniziale
Ma i contributi di Watt non finirono qui.
Nel 1780, osservò che gli operatori dei motori dovevano affrontare una sfida particolare: le macchine che funzionavano nei mulini e nelle miniere dovevano girare a una frequenza costante, indipendentemente dal carico a cui erano sottoposte. Si trattava di una sfida perché un aumento o una diminuzione del carico applicato a un motore a vapore avrebbe influito sulla sua velocità.
Quindi, in generale, la velocità di un motore aumenta quando il carico diminuisce e diminuisce quando il carico aumenta. Se, ad esempio, si dispone di una pompa che rimuove l'acqua da una miniera, la velocità del motore aumenterebbe ogni volta che la quantità di acqua aumentasse o diminuisse. Per compensare, l'operatore del motore avrebbe dovuto aprire o chiudere manualmente la valvola del vapore.
Nel 1788, Watt iniziò a cercare modi per automatizzare questo processo. Alla fine, si imbatté in un meccanismo noto come "fly ball" (o regolatore centrifugo), che era stato utilizzato nei mulini a vento per quasi un secolo, regolando la distanza e la pressione tra le macine. Watt lo considerò la soluzione perfetta e iniziò ad adattare il dispositivo per controllare la velocità del suo motore a vapore.
Ecco come Watt mise in moto la palla (o meglio, la fece girare):
Il regolatore a palla centrifuga è composto da due sfere appesantite fissate a un perno tramite bracci in grado di oscillare. L'albero di uscita del motore a vapore di Watt aziona il perno del regolatore a sfere: quando il motore gira più velocemente, la forza centrifuga fa ruotare le sfere e le solleva verso l'esterno; quando il motore rallenta, la rotazione rallenta e le sfere cadono. I bracci oscillanti sono collegati a una leva che aziona la valvola a farfalla che, quando attivata, aumenta o diminuisce la quantità di vapore che entra nel cilindro del motore, regolando così automaticamente la velocità del motore.
Quindi, quando un motore a vapore funziona a piena velocità, le sfere sono "fuori", da cui il significato dell'espressione "balls out" (sfere fuori).
Ma questo termine usato in modo improprio non è l'unica cosa per cui è noto l'adattamento del regolatore a sfere volanti di Watt. L'intenzione di Watt è anche uno dei primi esempi di sistema di controllo a circuito chiuso, molto simile ai moderni sistemi a circuito chiuso che possiamo vedere oggi nella produzione.
Se, ad esempio, vogliamo controllare la temperatura di un fluido in un processo, useremmo un sensore per misurare la temperatura, un regolatore per misurare il livello di errore tra la lettura del sensore e il set point del regolatore, quindi il regolatore aziona un attuatore - in questo caso un riscaldatore per aumentare la temperatura o uno scambiatore di calore per abbassarla.
Confrontiamo questo sistema con il regolatore a sfere volanti di Watt, dove il mandrino rileva la velocità del motore e le sfere volanti reagiscono all'aumento di velocità e, come un regolatore, azionano la valvola a farfalla, che in questo caso è l'attuatore che riduce la quantità di vapore che arriva ai cilindri, riportando così la velocità del motore in un intervallo di sicurezza.
Il miglioramento apportato da Watt al motore a vapore contribuì ad alimentare il secolo successivo di innovazioni e fornì ai futuri ingegneri un primo esempio di efficace sistema di controllo a circuito chiuso.
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