simulatore-induttori/README.md

# Simulatore Termico 2D — Fascetta, Sorgenti a Induzione Mobili, Sensore IR Fisso

Questo progetto genera misurazioni CSV pseudo-realistiche della temperatura di una
fascetta (anello cilindrico sottile) riscaldata da un gruppo di sorgenti a induzione
in movimento, osservata da un sensore a infrarossi fisso. Lo scopo è produrre dataset
per l'addestramento e la validazione di modelli di stima/regressione termica.

## Geometria

La fascetta è un anello cilindrico definito da tre dimensioni:

- **diametro** (default 70 mm) — il diametro del cilindro;
- **spessore** (default 0.12 mm) — lo spessore della parete;
- **lunghezza** (default 100 mm) — l'estensione assiale lungo `x`.

Il dominio simulato è la **sezione rettangolare lunghezza × spessore**. Il sistema di
coordinate ha l'origine `(0, 0)` nel vertice in alto a sinistra della sezione:

```text
        sorgenti (induttori), in moto verso -x
              ▼           ▼           ▼
  (0,0) ─────────────────────────────────────► x
    │   ┌───────────────────────────────────┐  z = 0        lato ESTERNO
    │   │  sezione della fascetta           │               (flusso termico)
    │   └───────────────────────────────────┘  z = spessore lato INTERNO
    ▼                     ┆
    z                     ┆  linea di vista
                          ▲
                     sensore IR (fisso, x = 50 mm,
                     a 10 mm dalla parete interna)
```

- **x** = direzione della lunghezza, da `0` a `lunghezza`. Le sorgenti viaggiano in
  direzione `-x` sul lato esterno.
- **z** = direzione dello spessore, da `0` (lato esterno, dove arriva il flusso
  termico) a `spessore` (lato interno, osservato dal sensore).
- **y** = coordinata circonferenziale (lungo la circonferenza π·diametro). Non è
  risolta spazialmente: vedi sotto come viene trattata.

Il **sensore** è un pirometro a infrarossi posto all'interno della fascetta, a una
distanza configurabile dalla parete interna (default 10 mm). Essendo senza contatto,
la distanza non influenza la misura: il sensore legge la temperatura della superficie
interna nel punto `x` configurato (default 50 mm, al centro della lunghezza).

## Modello fisico

Non è una simulazione FEM elettromagnetica + termica completa: è un generatore
pratico di dataset. La catena di approssimazioni è la seguente.

1. **Sorgenti gaussiane in moto** — ogni sorgente ha un'impronta gaussiana di raggio
   `sigma_punto_m`. Un gruppo di `numero_sorgenti` sorgenti equidistanti
   (`distanza_sorgenti_m`) si muove rigidamente a velocità costante. Il profilo di
   flusso sul lato esterno è la somma dei contributi:
   `q(x, t) = Σᵢ q_picco · efficienza · exp(-((x - xᵢ(t))² + Δy²) / (2σ²))`.
   L'offset circonferenziale `Δy` tra il percorso delle sorgenti e il punto osservato
   dal sensore non è risolto spazialmente: entra come attenuazione gaussiana del flusso.

2. **Skin depth** — il riscaldamento a induzione è approssimato come riscaldamento
   volumetrico che decade esponenzialmente con la profondità `z`:
   `q_vol(x, z) = q(x) · exp(-z/δ) / (δ·(1 - exp(-spessore/δ)))`, normalizzato in modo
   da conservare il flusso superficiale. La skin depth `δ = √(2ρₑ/(ωμ))` è calcolata
   dalla resistività elettrica e dalla permeabilità del materiale alla frequenza di
   induzione, oppure può essere imposta con `skin_depth_fissa_m`. Per la banda
   stagnata a 20 kHz risulta ≈ 0.1 mm, confrontabile con lo spessore: la parete è
   quasi isoterma attraverso lo spessore.

3. **Diffusione 2D del calore** — l'equazione del calore è integrata nella sezione
   `(x, z)` con volumi finiti ed Eulero implicito (incondizionatamente stabile).

4. **Scambi con l'esterno** — la sezione scambia calore con l'ambiente su tutto il
   contorno:
   - convezione sul lato esterno (`h_esterno_W_m2K`), sul lato interno
     (`h_interno_W_m2K`) e sui due bordi in x (`h_bordi_W_m2K`);
   - **conduzione circonferenziale**: la sezione cede calore per conduzione lungo `y`
     al resto della fascetta, assunto a temperatura ambiente. Il termine è
     un'equazione di aletta ricavata sull'intero volume del cilindro: il calore
     conduce lungo `y` attraverso l'intero spessore mentre le superfici esterna e
     interna dell'intero cilindro perdono calore per convezione, dando
     `q_y = -(h_esterno + h_interno)/spessore · (T - T_amb)` — nessun parametro di
     conduzione `y` aggiuntivo da configurare.

5. **Temperatura iniziale** — il campo parte uniformemente alla temperatura ambiente
   del run (che è randomizzata, quindi varia run per run).

6. **Sensore realistico** — la lettura aggiunge alla temperatura vera della superficie
   interna: inerzia del primo ordine (`costante_tempo_s`), rumore gaussiano
   (`rumore_std_C`) e quantizzazione (`quantizzazione_C`).

## Metodo numerico

- Griglia a volumi finiti `n_nodi_x × n_nodi_z` (default 100 × 15); le incognite sono
  i centri cella.
- Eulero implicito con passo `dt_interno_s` (default 0.2 ms), più fine del periodo di
  campionamento CSV.
- Tutti i termini (diffusione, convezione, conduzione circonferenziale) sono lineari e
  costanti nel run: la matrice sparsa viene costruita e **fattorizzata LU una sola
  volta per run** (`scipy.sparse.linalg.splu`); ogni passo temporale risolve solo i
  sistemi triangolari. Un run da 30 s simulati richiede ~20 s di calcolo.
- Se in futuro si introducessero proprietà dipendenti dalla temperatura, la matrice
  andrebbe ricostruita e rifattorizzata a ogni passo.

## File

```text
config.py           tutti i parametri di simulazione
materials.py        proprietà termofisiche ed elettriche dei materiali
simulate.py         motore fisico + generazione dei CSV
plot_csv.py         grafici rapidi (temperature e flusso) del primo run
plot_animazione.py  animazione della sezione: campo T(x,z), sorgenti, sensore
dataset/            output generato da simulate.py (ricreato a ogni esecuzione)
```

## Installazione

```bash
python -m venv .venv
source .venv/bin/activate
pip install -r requirements.txt
```

## Uso

```bash
# genera il dataset (ATTENZIONE: cancella e ricrea la cartella dataset/)
python simulate.py

# grafici statici del primo run (temperatura e flusso nel tempo)
python plot_csv.py

# animazione della sezione durante il passaggio delle sorgenti
python plot_animazione.py
```

Gli script di visualizzazione aprono finestre interattive (backend Qt); se il backend
non è interattivo (es. sessione senza display) salvano automaticamente PNG/GIF in
`dataset/`.

L'animazione riproduce esattamente la fisica di `run_0001` (stesso seed) e mostra tre
pannelli allineati: il profilo di flusso `q(x)` con le sorgenti in transito, il campo
di temperatura nella sezione con il sensore IR, e la temperatura nel punto osservato
(vera e con inerzia del sensore). Finestra temporale e cadenza dei fotogrammi si
regolano con le costanti in testa a `plot_animazione.py`.

## Configurazione

Tutto si modifica in `config.py`. I dizionari principali:

| Dizionario       | Contenuto                                                                 |
|------------------|---------------------------------------------------------------------------|
| `SIMULAZIONE`    | numero di run, durata, campionamento CSV, passo interno, seed, cartella   |
| `FASCETTA`       | diametro, lunghezza, spessore, griglia, conduzione circonferenziale, materiale |
| `ARIA`           | temperatura ambiente e coefficienti di convezione dei quattro lati        |
| `SORGENTE`       | corsa, velocità (il segno dà il verso), gruppo di sorgenti, gaussiana, flusso, frequenza |
| `SENSORE`        | posizione (x e distanza dalla parete), inerzia, rumore, quantizzazione    |
| `RANDOMIZZAZIONE`| entità delle perturbazioni per run                                        |

Punti da conoscere:

- **Corsa delle sorgenti**: `x_inizio_m` è la distanza dal sensore, all'inizio della
  corsa, della sorgente più avanzata (quella che lo raggiunge per prima);
  `x_fine_m` è la distanza dal sensore, a fine corsa, della sorgente più arretrata
  (quella che lo supera per ultima). Con `zero_dopo_fine` ogni sorgente si spegne
  alla fine della propria corsa.
- **Materiale**: `FASCETTA["materiale"]` deve essere una chiave di `MATERIALI` in
  `materials.py`. Per aggiungere un materiale basta una nuova voce nel dizionario
  (conducibilità, densità, calore specifico, resistività elettrica, permeabilità).
- **Proprietà di `banda_stagnata`**: la banda stagnata è un nastro di acciaio a basso
  tenore di carbonio (0,15–0,25% C) rivestito su entrambe le facce da un sottile
  strato di stagno elettrolitico, dello spessore di pochi micrometri — trascurabile
  rispetto allo spessore tipico della parete (es. 0,18 mm) e quindi ininfluente sulle
  proprietà termiche, elettriche e magnetiche in massa. I valori in `materials.py`
  sono quindi quelli dell'acciaio dolce sottostante:
  [Banda stagnata: tutto quello che c'è da sapere (MUNDOLATAS)](https://mundolatas.com/it/banda-stagnata-tutto-quello-che-ce-da-sapere/),
  [Bande stagnate elettrolitiche (EUROPERF)](https://www.europerf.it/it/banda-stagnata-elettrolitica.php),
  [Differenza tra banda stagnata e acciaio inossidabile (Wuxi Bright Packing)](https://it.brightmetalcan.com/info/difference-between-tinplate-and-stainless-stee-48700260.html).
- **Randomizzazione**: ogni run perturba velocità, flusso di picco, sigma, offset y,
  temperatura ambiente e rumore del sensore con estrazioni da un RNG a seed fisso
  (`SIMULAZIONE["seed"]`): il dataset è riproducibile.

## Output

### `dataset/run_XXXX.csv` — serie temporale del run

| Colonna                        | Significato                                                        |
|--------------------------------|--------------------------------------------------------------------|
| `id_run`                       | identificativo del run                                             |
| `tempo_s`                      | tempo simulato                                                     |
| `x_sorgente_m`                 | posizione della sorgente di riferimento del gruppo                 |
| `offset_y_sorgente_m`          | offset circonferenziale del percorso (costante nel run)            |
| `flusso_termico_sorgente_W_m2` | flusso efficace nel punto x del sensore                            |
| `skin_depth_m`                 | skin depth usata (costante nel run)                                |
| `T_vera_lato_sensore_C`        | temperatura vera della superficie interna nel punto del sensore    |
| `T_misurata_sensore_C`         | lettura del sensore (inerzia + rumore + quantizzazione)            |
| `T_lato_caldo_C`               | temperatura della superficie esterna nello stesso punto x          |
| `T_ambiente_C`                 | temperatura ambiente del run                                       |
| `velocita_m_s`, `sigma_punto_m`, `flusso_picco_W_m2` | parametri randomizzati del run              |
| `materiale`                    | chiave del materiale                                               |

### `dataset/metadata.csv` — una riga per run

Contiene tutti i parametri effettivi del run (geometria, griglia, coefficienti di
scambio, parametri delle sorgenti e del sensore, valori randomizzati) e le temperature
di picco vera e misurata: utile come ground truth e per filtrare i run.

## Limitazioni

1. Il campo elettromagnetico non è simulato: l'accoppiamento induttivo è ridotto a
   impronta gaussiana × efficienza × decadimento esponenziale in z.
2. La coordinata circonferenziale y non è risolta: offset del percorso e conduzione
   verso il resto della fascetta sono modelli collassati (attenuazione gaussiana e
   scambio lineare verso T ambiente).
3. Le proprietà dei materiali sono costanti con la temperatura; per gli acciai
   ferromagnetici la skin depth reale varia fortemente con temperatura e campo
   (punto di Curie non modellato).
4. Irraggiamento non modellato: a ~220 °C le perdite radiative non sono del tutto
   trascurabili rispetto alla convezione.