IT8420471A1 - Dispositivo di rilevamento con smorzamento elettronico del tipo elastico a massa passiva - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"DISPOSITIVO DI RILEVAMENTO CON SMORZAMENTO ELETTRONICO DEL TIPO

ELASTICO A MASSA PASSIVA"

RIASSUNTO

Si descrive qui un dispositivo di rilevamento del tipo elastico a massa passiva o altro dispositivo del genere atto a monitorizzare un parametro particolare, per esempio una vibrazione meccanica. Questo dispositivo utilizza una bobina elettricamente conduttrice avente *

una data impedenza disposta in un campo magnetico in modo tale da tradursi in un movimento relativo tra la bobina stessa e il campo corrispondente al parametro particolare che si monitorizza, per cui produrre un segnale di monitorizzazione sotto forma di una tensione che corrisponde altres? al parametro in fase di monitorizzazione. Il dispositivo include una disposizione circuitale atta a smorzare elettronicamente in modo sostanziale il movimento relativo succitato, pur mantenendo al tempo stesso il segnale di monitorizzazione ad un valore misurabile.

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La presente invenzione si riferisce in generale ad un dispositivo, per esempio un dispositivo di rilevamento del tipo elastico a massa passiva, che utilizza una bobina elettricamente conduttrice V

disposta in un campo magnetico in modo tale da tradursi in un movimento, per esempio un movimento vibratorio relativo, tra la bobina stessa e il campo per monitorizzare un parametro specifico, per esempio una vibrazione meccanica, ? in modo pi? particolare si riferisce ad una tecnica elettronica specifica per smorzare in larga r

misura il movimento senza influenzare negativamente le capacit? di monitorizzazione del dispositivo stesso.

Come qui sopra indicato, la presente invenzione ? diretta ad un mezzo elettronico specifico di smorzamento di un dispositivo del tipo citato. Un esempio particolare di tale dispositivo ? descritto nel brevetto statunitense No. 3*633*053? relativo ad un trasduttore di vibrazioni. Questo trasduttore include una carcassa pi? esterna che contiene mezzi atti a produrre un campo magnetico ed una bobina elettricamente conduttiva avente una data impedenza disposta nel campo magnetico in modo tale da tradursi in un movimento vibratorio relativo tra la bobina stessa ed il campo corrispondente in grandezza e frequenza al parametro particolare in fase di monitorizzazione, in modo specifico una vibrazione meccanica, per cui produrre un segnale di tensione (il segnale di monitorizzazione) che corrisponde altres? in grandezza e frequenza alla vibrazione meccanica che si monitorizza.

Affinch? un dispostivo del tipo descritto nel brevetto statunitense No. 3*633*053 possa funzionare in modo attendibile e preciso, il movimento vibratorio relativo tra la sua bobina e il campo magnetico deve essere smorzato in modo controllato e in misura sufficiente senza eliminare o effettivamente eliminare il suo segnale di monitorizzazione. Il trasduttore di vibrazioni del brevetto 3.633*053 utilizza uno smorzamento a gas prodotto a mezzo di intercapedini molto strettamente controllate intorno ad un magnete in movimento (che serve a produrre il campo magnetico necessario), in modo

S

che il flusso di gas attraverso le intercapedini dissipa energia e produce con ci? uno smorzamento meccanico della massa in movimento. Mentre questa soluzione produce in effetti uno smorzamento in modo controllato, essa non sempre fomise un grado di smorzamento sufficiente, n? cambia facilmente di valore al cambiare delle esigenze, n? permette di effettuare facilmente il controllo dello smorzamento in relazione alla temperatura.

Un'altra soluzione di smorzamento ed in particolare una soluzione che ? stata suggerita allo scopo di aumentare lo smorzamento a gas in un dispositivo del tipo descritto nel brevetto 3-633.053, ? illustrata dall'allegata fig. 1. Questa figura illustra in forma schematica il dispositivo in 10 in combinazione con ci? che si pu? caratterizzare come circuito elettronico di smorzamento, indicato in 12, del tipo a spire raccorciate. Nell'illustrazione il dispositivo 10 include una carcassa esterna 14 avente una base di supporto 16 montata sull'oggetto o corpo 18 di cui si monitorizzano le vibrazioni. Un magnete permanente 20 ? disposto nella carcassa 14 e montato per compiere un movimento vibratorio mediante mezzi a molla adatti (non rappresentati). Questo magnete serve a produrre il campo magnetico citato in precedenza. Al tempo stesso una bobina elettricamente conduttiva 22 ? posta nella carcassa e nel campo del magnete e presenta estremit? opposte che si estendono fuori dalla carcassa in modo da definire terminali di uscita TI e T2. Come ampiamente descritto nel brevetto 3*633-053, la bobina 22 che ha una data impedenza ? disposta nel campo magnetico prodotto dal magnete 20 in modo tale da tradursi in un movimento vibratorio relativo tra il campo e la bobina stessa corrispondente in grandezza e frequenza alla vibrazione meccanica in fase di monitorizzazione, per cui produrre un segnale di tensione ai capi dei terminali TI e T2.Questo segnale corrisponde altres? in grandezza e frequenza alla vibrazione meccanica in fase di monitorizzazione e pertanto serve da segnale di monitorizzazione. A tale riguardo si deve tener presente che nel dispositivo 10 si ha Una reciprocit? per quanto riguarda il movimento relativo tra la bobina 22 e il campo magnetico prodotto dal magnete 20. In modo pi? specifico, non importa se la bobina 22 rimane ferma e il magnete si muove, oppure se il magnete rimane fermo e la bobina si muove. In ogni caso le linee di flusso del magnete saranno tagliate dalla bobina, comportando con ci? un segnale di tensione E^ nei terminali TI e T2. Si deve inoltre tener presente che la bobina 22 si compone in effetti di due sezioni che sono avvolte in senso opposto in modo da corrispondere alla direzione del flusso, per cui, come le linee di flusso vengono tagliate, ai capi della bobina si producono due tensioni additive che contribuiscono alla tensione totale E .

s Come si nota in fig. 1, il circuito di smorzamento 12, che ? collegato a massa in 24 e 28, consiste di un resistere R^_, collegato ai capi dei terminali TI e T2, realizzando con ci? un circuito chiuso che consiste di un resistore R^_e di una bobina 22 (attraverso le masse). Ne deriva che i flussi di corrente nel circuito e la forza prodotta dalla corrente che fluisce attraverso la bobina 22 si oppongono al moto del magnete 20, producendo l'equivalente di uno smorzamento viscoso. Per ottenere con questo circuito una grado massimo di smorzamento, sar? necessario aumentare al massimo la grandezza di questa corrente, il che richiede di ridurre al minimo la resistenza totale nel Circuito stesso. Ci? carica per? la bobina e rende il segnale risultante E sempre pi? piccolo fino a non essere pi? misurabile. Quindi, vi ? un limite effettivo e finito allo smorzamento disponibile con questo mezzo. Anche se, con l'uso di questa soluzione, fosse possibile non perdere il segnale E , per s esempio mediante una certa forma di amplificazione, la grandezza massima di corrente di smorzamento disponibile con questo circuito sarebbe ci? nonostante limitata assintoticamente dall'impedenza della bobina 22. In modo specifico anche se fosse possibile far in modo che il resistore si avvicini a zero senza perdere il segnale di tensione E , il circuito complessivo includerebbe ci? nonostante la s

resistenza data dalla bobina 22, che limiterebbe la quantit? di corrente prodotta nel circuito e limiterebbe quindi lo smorzamento massimo possibile con la configurazione data.

Ancora,un altro inconveniente della soluzione di smorzamento illustrata in fig. 1 sta in una propriet? fondamentale del materiale che forma la bobina 22. In modo tipico questo materiale ? un metallo puro, per esempio rame, che cambia di resistenza con la temperatura nominalmente di 0,4% per grado Celsius. Cos?, in un intervallo di temperatura di 100?C, la resistenza della bobina 22 nel circuito 12 pu? cambiare fino al 40%, cambiando con ci? in misura proporzionale il grado di smorzamento ottenuto.

Gli inconvenienti sopra descritti sono applicabili al circuito 12, anche se usato con altri tipi di dispositivi a bobina e campo magnetico che richiedono uno smorzamento oltre al dispositivo 10. Per esempio, il movimento relativo tra la bobina e il campo pu? essere un movimento ?ptatorio, di traslazione oppure semplicemente un movimento transiente purch? si traduca in una corrente corrispondente.

In considerazione di quanto sopra, uno scopo della presente invenzione ? di realizzare un modo non complicato e purtuttavia attendibile di smorzare elettronicamente un dispositivo di rilevamento del tipo elastico a massa passiva del tipo generale sopra descritto o altro quale bobina e campo magnetico nella massima misura possibile a mezzo di solo smorzamento a gas.

Un altro scopo della presente invenzione ? di realizzare una tecnica di smorzamento elettronica del tipo a spire accorciate sopra descritto, ma che non presenti limitazione di corrente per la resistenza della sua bobina, oppure che elimini o sostanzialmente elimini il suo segnale di monitorizzazione.

Ancora un altro scopo della presente invenzione ? di realizzare una tecnica di smorzamento elettronico del tipo a spire accorciate e in modo specifico una tecnica che consegua non solo gli scopi qui sopra direttamente citati, ma che compensi inoltre le variazioni di resistena nella sua bobina a spire accorciate (per esempio di monitorizzazione) per effetto di variazioni di temperatura.

Come si noter? nel seguito, la presente invenzione ? atta ad essere usata nella maggior parte di dispositivi di rilevamento del tipo elastico a massa passiva o altri dispositivi del genere, che include mezzi atti a produrre un campo magnetico ed una bobina elettricamente conduttiva (avente una data impedenza) disposta nel campo magnetico in modo tale da tradursi in un movimento relativo tra la bobina stessa ed il campo corrispondente in*un certo modo, per esempio in grandezza e frequenza, al parametro particolare in fase di monitorizzazione mediante il dispositivo, per esempio una vibrazione meccanica, per produrre con ci? un segnale di tensione di monitorizzazione che corrisponde allo stesso modo al parametro in fase di monitorizzazione. Secondo la presente invenzione, una disposizione circuitale atta a smorzare il movimento realtivo tra la bobina e il proprio campo magnetico circostante ? prevista in modo da ottenere gli scopi succitati.

Come si noter? nel seguito, la disposizione circuitale di cui sopra, include mezzi collegati con la bobina per realizzare un circuito elettrico chiuso (compresa la bobina) simile al circuito illustrato in fig. 1, per realizzare con ci? una corrente di smorzamento attraverso la bobina stessa. Tuttavia, secondo la presente invenzione i mezzi di realizzazione del circuito includono inoltre mezzi atti a mantenere il segnale di tensione di monitorizzazione ad un valore misurabile, pur riducendo al tempo stesso l'impedenza effettiva complessiva del circuito chiuso al disotto dell'impedenza data della bobina stessa, per cui aumentare la grandezza della corrente di smorzamento ad un valore superiore a quello possibile mediante semplice cortocircuito delle estremit? della bobina (per esempio limitando l'impedenza del circuito alla resistenza della bobina, come nel caso *

in cui R^ ? zero). In una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, i mezzi di mantenimento del segnale di tensione e di riduzione dell'impedenza, che fanno parte del circuito comprendono una circuiteria specifica di amplificatore di reazione positiva, che amplifica non solo la corrente di smorzamento riducendo l'impedenza effettiva Complessiva del circuito chiuso, ma che amplifica inoltre il segnale di tensione di monitorizzazione. Questa circuiteria pu? includere inoltre mezzi che compensano la variazione della resistenza dela bobina alla temperatura, in modo che l?impedenza effettiva complessiva del circuito non cambio con la temperatura che a sua volta impedisce alla corrente di smorzamento dal variare allo stesso modo.

La presente invenzione viene ora descritta in maggior dettaglio qui di seguito, con riferimento agli annessi disegni, in cui:

fig. 1 illustra in modo schematico come gi? si ? scritto il dispositivo di rilevamento del tipo elastico a massa passiva del tipo generale descritto nel brevetto statunitense No. 3?633?053, in combinazione con un circuito di smorzamento elettronico convenzionale (della tecnica nota) del tipo a spire raccorciate}

fig. 2 ? una illustrazione schematica di un dispositivo di rilevamento simile a quello illustrato in fig. 1 in combinazione con una disposizione di circuito di smorzamento elettronico secondo la presente invenzione*

fig. 3 illustra schematicamente in modo diverso la disposizione di circuito riprodotta in fig. 2;

fig.4 ? una illustrazione schematica di un circuito compensativo della temperatura che pu? essere incorporata nella disposizione di circuito di smorzamento riprodotta in figg. 2 e 3s e

fig. 5 ? una illustrazione grafica nel modo di funzionamento del circuito di fig. 4-Poich? il dispositivo 10 e la disposizione circuitale 12 illustrati in fig. 1 sono stati descritti in precedenza, si pone immediatamente attenzione a fig. 2, la quale illustra il dispositivo di rilevamento di tipo elastico a massa passiva riprodotto in fig. 1. In fig. 2 il dispositivo di rilevamento 10 ? per? rappresentato in combinazione con una disposizione circuitale indicata genericamente in 26 per smorzare elettronicamente il movimento vibratorio relativo tra la bobina 22 ed il campo magnetico prodotto dal magnete 20. Questa disposizione circuitale, che ? studiata in accordo alla presente invenzione, ? collegata alla sua entrata al terminale TI su un lato della bobina 22 ed ? collegata a massa in 28, mentre l'altro lato della bobina ? collegato a massa in 26, per cui realizzare un circuito elettrico chiuso che incluede la bobina 22, in modo che il suddetto movimento relativo determina la produzione di una corrente di smorzamento i nel circuito di flusso attraverso la bobina in modo w

da produrre la forza di smorzamento sopra descritta. Al tempo stesso la disposizione circuitale ha un terminale di uscita T3 che emette un segnale di tensione e (rispetto a massa), che in grandezza e o

frequenza corrisponde alla vibrazione relativa tra la bobina 22 ed il sua campo magnetico, per cui servire da mezzo di monitorizzazione della vibrazione e quindi del parametro particolare in fase di monitorizzazione mediante il dispositivo nel suo complesso. Pur non essendo rappresentato, si deve intendere che la disposizione 26 include nel circuito mezzi di alimentazione adatti con i componenti rappresentati per energizzare tutta la disposizione.

Come si potr? notare nel seguito, la disposizione circuitale 26 include circuiteria per amplificare il segnale di tensione di monitorizzazione, pur riducendo al tempo stesso l'impedenza effettiva totale del circuito chiuso, che include la bobina 22, al disotto dell'impedenza data dalla bobina. Ci? aumenta la grandezza della corrente ad un valore superiore a quello possibile cortocircuitando semplicemente il terminale TI a massa (T2), il che corrisponde alla forma di realizzazione di fig. 1, in cui R^_ ? uguale a zero. A sua volta ci? aumenta la grandezza della forza di smorzamento nella bobina 22 ed un valore superiore a quello possibile cortocircuitando insieme semplicemente le estremit? della bobina 22 (per esempio attraverso massa).

Come illustrato in fig. 2, la disposizione circuitale 26 include un amplificatore operazionale Al avente una entrata positiva e una entrata negativa ed una uscita singola, e resistor! RI, R2 e R3? L'entrata negativa all'amplificatore operazionale ? collegato al terminale TI e la sua uscita ? collegata al terminale T3 con il resistore RI collegato elettricamente ai capi dei due terminali.Al tempo stesso i resistori R2 e R3 sono collegati tra il terminale T3 a massa 28 e l'entrata positiva dell'amplificatore operazione Al per realizzare una rete di divisione di tensione a reazione positiva. In combinazione con i tre resistori e la bobina 22 l'amplificatore operazionale Al forma un circuito elettrico chiuso tra le masse 24 e 28, in modo che il movimento vibratorio relativo tra la bobina e il suo campo magnetico, come detto in precedenza, si traduce nella produzione di corrente i che a sua volta serve a due scopi. Anzitutto, serve a produrre in w

T3 un segnale di tensione e corrispondente in grandezza e frequenza o

alla vibrazione e in secondo luogo serve a produrre la forza di smorzamento desiderata che si oppone al movimento vibratorio della bobina nel suo passaggio attraverso la bobina stessa. Al tempo stesso e in accordo alla presente invenzione, l'amplificatore operazionale Al e la rete di divisione della tensione R2, R3 formano un circuito di amplificazione a reazione positiva per amplificare sia la corrente di smorzamento i che il segnale e su e al disopra delle grandezze w ~ o

ottenibili con la disposizione circuitale illustrata in fig. 1, in cui R^_ ? zero oppure si avvicina a zero. Inoltre, come si potr? notare, i componenti che formano questa circuiteria di amplificatore a reazione possono essere scelti in modo da compensare le variazioni della resistenza della bobina 22 per effetto della temperatura.

Il modo in cui la disposizione circuitale 26 funziona in combinazione con la bobina 22 pu? essere meglio descritto considerando anzitutto la situazione in cui la resistenza R3 ? uguale a zero. In questo caso, il segnale rilevato dall'amplificatore operazionale Al ? derivato dalla bobina 22 e l'entrata positiva dell'amplificatore operazionale rimane a tensione zero a prescindere dal segnale in uscita e^. Operando come un amplificatore operazionale classico con guadagno pressoch? infinito, l'amplificatore Al si. comporter? da massa virtuale rispetto al segnale in entrata in corrispondenza del suo terminale di entrata di inversione TI (per esempio, la sua entrata negativa) facendo fluire una quantit? massima di corrente nell'avvolgimento del trasduttore, esattamente come se fosse cortocircuitato. Ci? per se stesso produce quindi ci? che sembra essere lo smorzamento massimo ottenibile, in quanto ci? equivale a rendere uguale a zero nel circuito illustrato in fig. 1. L'amplificatore operazionale Al determiner? un flusso della corrente i attraverso il w

resistore di reazione RI, producendo il segnale in uscita e , in cui o rispetto a massa e ? uguale a -i RI.

o w

Il modo in cui la disposizione circuitale 26 opera quando R3 ? zero, come descritto in precedenza, ? stato suggerito come soluzione a migliorare lo smorzamento prima d'ora ottenuto. Mentre questa soluzione rappresenta un miglioramento rispetto alla disposizione di fig. 1, in quanto il segnale in uscita e^ ? mantenuto ad un valore misurabile, mentre il segnale di fig. 1 pu? non essere mantenuto per effetto del carico della bobina, lo smorzamento massimo ottenibile nella disposizione di fig. 2 (quando R3 ? uguale a zero) ? limitato dalla resistenza interna della bobina 22 allo stesso modo della disposizione illustrata in fig. 1. In modo pi? specifico, in entrambi i casi, l'Impedenza totale del circuito non ? inferiore all'impedenza della bobina e quindi la corrente di smorzamento ? limitata da questo fattore, il che a sua volta significa che lo smorzamento della bobina ? in tal modo limitato.

Secondo la presente invenzione il resistore R3 ? un valore positivo maggiore di zero e la combinazione di.questo resistore e del valore attribuito al resistore R2 ? tale che i due formano un divisore di tensione a reazione positiva per l'amplificatore operazionale. In modo pi? specifico, facendo in modo che il valore di attenuazione di detto divisore si avvicini al rapporto di R^w/iR.w, RI), in cui R ? l'impedenza interna della bobina 22, ? possibile w

amplificare il segnale e e la corrente i ad un livello che non ? o w

limitato dalla impedenza R . In altre parole, si pu? disporre in modo w

che l'intero circuito compresa la bobina 22 e la disposizione circuitale 26 abbia una impedenza effettiva totale che ? inferiore all'impedenza R della bobina 22 mediante la selezione appropriata dei resistori R2 e R3? Inoltre, come si potr? notare nel seguito, questa soluzione del circuito pu? essere usata per compensare le grosse variazioni di resistenza della bobina per effetto della temperatura. Prima d'ora non esisteva nessun mezzo del genere senza aggiungere una quantit? sostanziale di resistenza in serie con l'avvolgimento, diminuendo inoltre il grado effettivo di smorzamento ottenuto. Mentre in passato ? stato possibile annullare la variazione della resistenza della bobina alla sola temperatura, non ? stato possibile ottenere al tempo stesso sia il controllo dello smorzamento che un valore elevato di smorzamento.

Con riferimento in modo specifico a fig. 2, si pone ora attenzione al modo di funzionamento della circuiteria illustrata in detta figura. Come una forza elettromotrice positiva fem (tensione in entrata) si produce con la vibrazione relativa descritta in precedenza tra la bobina 22 e il campo magnetico prodotto dal magnete 20, la corrente i ? fatta fluire nella giunzione o terminale TI dell'amplificatore Al, determinando un andamento negativo dell'uscita dell'amplificatore Al. Ci?, attraverso il divisore di tensione R2 e R3, determina altres? un andamento negativo della entrata positiva all'amplificatore operazionale Al. Questa azione fa si che l'uscita dell'amplificatore Al (terminale T3) diventi ancor pi? negativa, portando con s? il terminale TI per far si che la sua tensione si sposi con quella dell'entrata positiva all'amplificatore operazionale. Il risultato netto di ci? ? quello di far fluire una maggior quantit? di corrente attraverso la bobina R e di produrre un grado maggiore di forza di smorzamento.

Per scopi di analisi, la circuiteria illustrata in fig. 2 ? stata ridisegnata in fig. 3> indicante e (22') come la fem prodotta dal movimento vibratoria relativo tra la bobina 22 e il suo campo magnetico 20, e R^, R^ e R^, R^ come due divisori di tensione indipendenti. Ai fini della descrizione, si utlizzeranno i coefficienti k e k in cui:

2

R.

k W

1

R R

W 1

K R3

2

R2 R3

Una analisi del circuito complessivo illustrato in fig. 3 indica che l'uscita di segnale e pu? essere rapportata alla sua o

entrata e. con la seguente equazione:

m

e -(1 - kj) V.G. (Guadagno tensione) E.Q. 1,0 o

e. k - k

in

Inoltre, l?impedenza di entrata effettiva rispetto al circuito complesso pu? essere calcolata con la seguente equazione:

Z = R R E.Q. 2,0 in _JL__ l

1 - V.G.

Da queste due equazioni di cui sopra si possono intedere in modo pi? completo gli effetti e l'utilit? della presente invenzione. Anzitutto ? da tener presente che la forza di smorzamento prodotta da questo tipo "a spire accorciate" di smorzamento rappresenta una forza di opposizione al moto che ha una grandezza proporzionale alla velocit? istantanea con andamento zero a velocit? zero. La forza ? prodotta dall'interazione della corrente che fluisce nella bobina 22 con un campo prodotto dal magnete 20. Polche la corrente che fluisce ? quella prodotta dalla ferri istantanea determinata dal movimento vibratorio tra la bobina e il suo campo magnetico, la corrente ? proporzionale alla velocit? di questo movimento relativo e la forza prodotta dall'interazione ? sia in opposizione al moto che direttamente proporzionale alla velocit? istantanea. Nel caso dell'avvolgimento cortocircuitato, la corrente ? direttamente determinata dal rapporto tra la fem e la resistenza dell'avvolgimento. Infatti, se detta resistenza pu? essere ridotta, la corrente potr? essere aumentata e con essa si ha un aumento proporzionale della forza, come detto in precedenza..

La presente invenzione agisce direttamente per abbassare la resistenza apparente (o impedenza) della bobina con l'uso di reazione positiva, rappresentata dal divisore R^, R^ che ritorna all'entrata positiva dell'amplificatore operazionale. Da un esame ? evidente che, come il valore di nel denominatore dell'Equazione 1,0 di cui sopra si avvicina al valore di k^, il guadagno di tensione del circuito si avvicina all'infinito. Naturalmente, ? chiaro che in una realizzazione pratica k^ non potr? mai in effetti essere uguale a o superiore a k . Inoltre, da un esame della Equazione 2,0 lo stesso termine, ossia guadagno di tensione, compare nel denominatore, indicando che all'aumentare di k , che si avvicina a k , l'impedenza di entrata Z. si 2 1 m avviciner? a zero. La corrente che fluir? nell'avvolgimento ?:

i = fem

w --

Ovviamente, poich? Z^ pu? avvicinarsi a zero, la corrente in entrata pu? essere fortemente aumentata, producendo un aumento simile della grandezza della forza di smorzamento prodotta. In ogni caso, con una selezione accorta di R2 e R3 (dopo aver scelto RI e determinato R ), si pu? far in modo che l'impedenza totale Z. sia V in inferiore alla resistenza R e pertanto si pu? far in modo che la corrente i sia maggiore di quanto sarebbe altrimenti nella disposizione circuitale di fig. 1, oppure nella disposizione presente se R3 fosse reso uguale a zero.

Quale esempio quantitativo, si consideri il tipo di trasduttore seguente, ossia con un magnete mobile e avvolgimento fisso, con lo smorzamento primario prodotto dalla corrente che fluisce nell'avvolgimento per effetto del principio a "spire accorciate o cortocircuitate" di smorzamento. Seguono le costanti di un modello tipico:

Massa del magnete: 10 gm

Rigidit? meccanica

della molla: 100.000 dine/centimetro Avvolgimento: 1000 spire, lunghezza di ogni spira 3,14 cm, resistenza totale 100 ohm

Campo magnetico: 2000 gauss

Da queste costanti si possono calcolare le seguenti caratteristiche, usando equazioni convenzionali che descrivono un sistema di molla e massa di secondo ordine:

Frequenza naturale 100 radianti/sec (15,9 Hz) c/C = Costante di smorzamento per smorzamento

critico: 2000 dine/c/sec

L'effetto dello smorzamento a spire accorciate o in corto pu? essere calcolato calcolando la fem prodotta da una velocit? di 1 cm/sec dividendola per la resistenza dell'avvolgimento, e quindi moltiplicando per la costante motore dell'avvolgimento:

?8 8

fem = B.1.N.10 = 2000.3,14.1000.10_

fem = 0,0628 VDC/cm/sec

i = fem/RIt= 0,0628/100 = 0,628.10 ampere

w W

Costante di smorzamento = i (B.1.N.10 *) dine/cm/sec

w

C = 394 dine/cm/sec (prodotto dall'avvolgimento in corto).

Da ci? si calcola il rapporto di smorzamento effettivo ottenuto per il modello dividendo c effettivo per c ossia 394/2000 = 0,197? Ci? indica che il trasduttore sopra descritto risulter? notevolmente sottosmorzato utilizzando tutta la forza di smorzamento disponibile con l'uso dello smorzamento a "spire accorciate 0 in corto". Questo tipo o modello pu? essere notevolmente perfezionato con l'uso dell'invenzione qui descritta.

In modo specifico, si supponga che il circuito sia quello rappresentato in fig. 3 con i seguenti valori delle costanti:

R.,= 100 ohm

W

RI = 1000 ohm

R2, R3 scelti per ottenere i valori specifici di k .

2

Dalle Equazioni 1,0 e 2,0 si possono determinare le seguenti relazioni per i vari valori di k^ in termini di k^, come riportato nella sottostante Tabella I.

TABELLA I

Z.

Guadagno in Smorzamento ottenuto tensione effet. Relativo. Effettivo

V/V

0,00k^ 10,00 100 ohm 1,000 0,197

0,50^ 20,00 52,38 1,909 0,376

0,667ki 30,00 35,48 2,818 0,555

0,800ki 50,00 21,57 4,636 0,913

0,900ki 100,00 10,89 9,182 1,811

0,950^ 200,00 5,47 18,272 3,605

o,98oki 500,00 2,20 45,537 8,963

0,990ki 1000,00 1,10 90,992 17,927

La Tabella di cui sopra illustra chiaramente il grande aumento del guadagno di tensione e smorzamento possibili con l'invenzione descritta. A titolo di esempio pratico, la scelta di k = 0,667 k si ha un rapporto di smorzamento effettivo di 0,555 smorzamento molto accettabile per il trasduttore descritto. E' inoltre ovvio agli esperti di questo settore della tecnica che variando R2 oppure R3 si potranno facilmente modificare le caratteristiche sia del guadagno che dello smorzamento.

Poich?, come descritto in precedenza, la resistenza dell'avvolgimento ? funzione della temperatura e fa variare sia il guadagno di tensione che lo smorzanento fino a 40? o pi? senza l'uso della presente invenzione, ? inoltre chiaro che rendendo a titolo di esempio R2 oppure R3 una funzione della temperatura, gli effetti del valore variabile di R^ possono essere sostanzialmente annullati con l'uso della presente invenzione. In altre parole, il circuito complessivo compresa la resistenza R^ pu? essere reso in modo da avere una impedenza effettiva che non varia alla temperatura.

Mentre la compensazione della temperatura pu? essere ottenuta mediante la selezione appropriata di R2 e/o R35 essa pu? essere altres? ottenuta con la circuiteria indicata genericamente in TC di fig. 4. Questo circuito si compone della combinazione di resistor! R4j R5 e R? e dei termistori T.C. negativi TH1 e TH2, ? posto in serie con il resistere R2 o il terminale TI, come indicato con linee punteggiate in fig.3 ? I due termistori variano rapidamente di resistenza alla temperatura, diminuendo di valore all'aumentare della temperatura. Al tempo stesso i resistori R4, R5 e R? sono scelti in modo che l'impedenza effettiva complessiva del circuito complessivo, compreso il circuito TC, la bobina 22 e la disposizione 26, ? ad un valore fisso a prescindere dalle variazioni della resistenza della bobina alla temperatura. Ci? ? meglio esemplificato in fig. 5, che indica come la variazione di impedenza del circuito complessivo (per esempio, ? Z ) ? inferiore a 0, 5% per tutto un intervallo di temperature da -60?C a 60?C. Ci? deve essere contrastato con variazioni di resistenza della bobina (R^) che possono arrivare a 50%? In questo esempio particolare = 950 ohm, R4 = 800 ohm, R5 = 7 Rohm e R6 = 1,2 kohm. Inoltre, TH1 = 100 Ohm e TH2 = 1 kohm. La resistenza netta del circuito TC ? 331? 1 ohm (R ) e la resistenza combinata di 1?

Rw e R ? 128l,l ohm a 25?C. La disposizione circuitale 26 abbassa l'impedenza effettiva del circuito complessivo (per esempio Z. ) ad in un valore inferiore a 950 ohm (R ) da 128l, 1 ohm e questo valore

TT

inferiore ? mantenuto sostanzialmente costante a mezzo del circuito TC.

Come indicato in precedenza, il circuito TC pu? essere posto nel circuito 26 in serie con il resistore R3 o in serie con il terminale Tl. Quando ? posto nella prima posizione, il circuito TC manterr? Z. costante, oppure pu? essere usato per stabilizzare il in

guadagno di tensione (V.G.) delia disposizione 26 alla temperatura, ma non entrambi, come evidente da un esame delle equazioni 1 e 2 di cui sopra. D'altra parte, quando il circuito TC ? posto in serie con il terminale Tl, esso si combina con la bobina 22 per fornire una resistenza costante (a prescindere dalle variazioni di temperatura) all'entrata della disposizione circuitale 26. In altre parole, questa ultima disposizione vede una resistenza costante alla sua entrata a prescindere dalle variazioni di R.,. Ne deriva che sia Z. e V.G. sono mantenuti costanti al variare di R^. Ci? presume naturalmente che

RIVENDICAZIONI

1) Dispositivo che include mezzi per produrre un campo magnetico ed una bobina elettricamente conduttiva avente una data impedenza disposta in detto campo magnetico in modo da tradursi in un movimento relativo tra la bobina ed il campo corrispondente al parametro particolare in fase di monitorizzazione, per cui produrre un segnale di tensione che corrisponde altres? a detto parametro, caratterizzata da una disposizione circuitale per smorzare detto movimento relativo, comprendente mezzi collegati con detta bobina per realizzare un circuito elettrico chiuso che include la bobina, in modo che la velocit? relativa tra la bobina ed il campo in conseguenza di detto movimento determina la produzione di una corrente in detto circuito ed il flusso della stessa attraverso detta bobina in modo da produrre una forza, di grandezza proporzionale a detta corrente, che si oppone a detto movimento, per cui smorzare detto movimento, detti mezzi di realizzazione del circuito comprendendo inoltre mezzi atti a mantere detto segnale di tensione ad un valore misurabile, pur riducendo al tempo stesso l'impedenza effettiva totale di detto circuito chiuso al disotto dell'impedenza data di detta bobina, per cui aumentare la grandezza di detta corrente e pertanto la sua forza di smorzamento associata ad un valore superiore a quello possibile cortocircuitando semplicemente insieme le estremit? della bobina.

2) Dispositivo di rilevamento come in 1) in cui detta bobina elettricamente conduttiva ? configurata in modo che la sua impedenza data varia con la temperatura ed in cui detta disposizione circuitale include mezzi che compensano detta variazione indotta dalla temperatura, in modo che detta corrente di smorzamento non varia sostanzialmente in conseguenza di variazioni della impedenza della bobina con la temperatura.

3) Dispositivo di rilevamento come in 2) in cui detto mezzo di compensazione della temperatura include un mezzo circuitale collegato elettricamente in detto circuito chiuso con detta bobina, in modo che l'impedenza effettiva totale di detto circuito chiuso rimane sostanzialmente costante a prescindere dalle variazioni con la temperatura della resistenza di detta bobina.

? 4) Dispositivo di rilevamento come in 3) in cui detti mezzi di mantenimento del segnale di tensione e di riduzione della impedenza includono circuiteria di amplificazione del segnale con guadagno di tensione, ed in cui detto mezzo circuitale ? collegato in detto circuito chiuso, in modo che il guadagno di tensione di detta circuiteria di amplificazione del segnale rimane sostanzialmente costante a prescindere dalle variazioni con la temperatura della resistenza di detta bobina.

5) Dispositivo di rilevamento come in 1) in cui detti mezzi di mantenimento del segnale di tensione e di riduzione della impedenza includono circuiteria che fa parte di detto circuito chiuso per amplificare sia detto segnale di tensione che detta corrente di smorzamento.

6) Dispositivo di rilevamento come in 5) in cui detta circuiteria di amplificazione include un amplificatore a reazione positiva.

7) Dispositivo di rilevamento come in 6) in cui detto amplificatore a reazione positiva include un primo mezzo resistore attraverso il quale ? fatta passare detta corrente di smorzamento per produrre detto segnale di tensione.

8) Dispositivo di rilevamento come in 7) in cui detto amplifica-

tore include un secondo mezzo resistore che serve a fare di detto

amplificatore un amplificatore a reazione positiva, detto primo e

detto secondo resistore essendo scelti in modo da ridurre l'impedenza

effettiva totale di detto circuito chiuso al disotto dell'impedenza

data di detta bobina.

9) Dispositivo di rilevamento come in 8) in cui detto amplifica-

tore a reazione positiva include un amplificatore operazionale avente

una entrata positiva ed una entrata negativa e una uscita, in cui

detta bobina ? collegata in detto circuito in modo tale che la sua

impedenza data ? collegata tra massa e l'entrata negativa di detto

dispositivo e detto primo mezzo resistere ? un primo resistore

collegato ai capi di detta entrata negativa e dell'uscita di detto

dispositivo, ed in cui detto secondo mezzo resistore include un

secondo resistore collegato ai capi della entrata di detto dispositi-

vo e dell'uscita ed un terzo resistore collegato tra detta entrata

positiva e massa, in modo che:

k

1

Rw R1

k

2 - R3

R2 R3

e = - (1 - kj VG

o

e. k - k

m 1

Zi.n = Rw R1

1 - VG

in cui R^ ? l'impedenza data di detta bobina, RI, R2 e R3 sono rispettivamente detto primo, detto secondo e detti terzo resistore, E. ? la tensione in entrata a detto circuito, e ? la tensione in uscita di o

detto circuito, VG ? il guadagno di tensione del circuito e Z ? l'impedenza in entrata effettiva.

10) Dispositivo di rilevamento come in 9) in cui detti resistori,RI, R2 e R3 sono scelti in modo tale che k^ ? un valore positivo inferiore a k . ma sufficientemente grande da rendere Z. inferiore a 1 in V

11) Dispositivo di rilevamento come in 9) in cui.detta bobina elettricamente conduttiva ? configurata in modo che la sua impedenza data R^ varia con la temperatura, ed in cui detta disposizione circuitale include mezzi che compensano questa variazione indotta dalla temperatura in modo che detta corrente di smorzamento non varia sostanzialmente al variare di R^ con la temperatura.

12) Dispositivo di rilevamento come in 11) in cui detto secondo resistore e/o detto terzo resistore ? del tipo che varia di resistenza con la temperatura in modo da permettere allo stesso di servire da detto mezzo di compensazione.

13) Dispositivo di rilevamento come in 11) in cui detto mezzo di compensazione include una rete di termistori elettricamente disposta in detto circuito chiuso insieme a detta circuiteria di amplificazione e a detta bobina per mantenere costante Z a prescindere da variazioni di R per effetto di variazioni della temperatura.

n

14) Dispositivo di rilevamento come in 13) in cui detta circu?teria di amplificazione include un guadagno di tensione ed in cui detta rete di termistori ? situata in detto circuito chiuso in modo che detto guadagno di tensione rimane costante a prescindere dalle variazioni di R dovute a variazioni di temperatura.

N

15) Dispositivo per monitorizzare un parametro particolare, quale una vibrazione meccanica, detto dispositivo comprendendo mezzi atti a produrre un campo magnetico, una bobina elettricamente conduttiva avente una data impedenza, detta bobina essendo disposta in detto campo magnetico in modo da tradursi in un movimento relativo tra la bobina ed il campo corrispondente al parametro particolare in fase di monitorizzazione; mezzi che cooperano con detta bobina e che sono responsivi a detto movimento relativo per produrre un segnale di tensione che corrisponde pure a detto parametro) e mezzi che includono detta bobina e detti mezzi produttori del segnale di tensione per formare un circuito elettrico chiuso con una impedenza effettiva totale al disotto dell'impedenza data di detta bobina, detto circuito essendo configurato in modo tale che detto movimento relativo tra la bobina e detto campo magnetico determina in detto circuito la produzione di una corrente ed il flusso attraverso detta bobina in modo da produrre una forza di grandezza proporzionale a detta corrente, che si oppone a detto movimento, per cui smorzare detto movimento.

16) Dispositivo come in 15) in cui detta bobina elettricamente conduttiva ? configurata in modo che la sua impedenza data varia con la temperatura, e in cui detti mezzi formatori di circuito includono mezzi che compensano questa variazione indotta dalla temperatura, in modo che l'impedenza effettiva totale del circuito complessivo non varia sostanzialmente al variare dell'impedenza della bobina per effetto della temperatura.

17) Metodo per smorzare - in un dispositivo che include mezzi per produrre un campo magnetico e una bobina elettricamente conduttiva avente una impedenza data disposta in detto campo magnetico in modo da tradursi in un movimento relativo tra la bobina e il campo corrispondente al parametro particolare in fase di monitorizzazione, per cui produrre un segnale di tensione che corrisponde pure a detto parametro, - detto movimento relativo, detto metodo comprendendo le fasi di prevedere un circuito elettrico chiuso che include detta bobina, in modo che detto movimento vibratorio relativo determina la produzione in detto circuito di una corrente ed il flusso attraverso detta bobina in modo da produrre una forza di grandezza proporzionale a detta corrente, che si oppone a detto movimento vibratorio, per cui smorzare detto movimento} e mantenere detto segnale di tensione ad un valore misurabile, pur riducendo al tempo stesso l'impedenza effettiva totale di detto circuito chiuso al disotto della impedenza data di detta bobina, per cui aumentare la grandezza di detta corrente e pertanto detta forza di smorzamento ad un valore superiore a quello possibile cortocircuitando semplicemente i terminali della bobina.

18) Metodo come in 17) in cui detta bobina elettricamente conduttiva ? configurata in modo che la sua impedenza data varia con la temperatura, detto metodo comprendendo la fase di compensare questa variazione di temperatura, in modo che l'impedenza effettiva

Claims (1)

1. totale di detto circuito chiuso rimane costante a prescindere dalle variazioni indotte dalla temperatura dell'impedenza di detta bobina.

   19) Metodo come in l8) in cui detta corrente di smorzamento che detto segnale di tensione sono amplificati da mezzi di amplificazione che hanno un guadagno di tensione ed in cui detta fase di compensazione della temperatura mantiene detto guadagno di tensione costante a prescindere dalle variazioni indotte dalla temperatura dell'impedenza di detta bobina.