ITVE950034U1 - Sistema di misura a collimazione a fascio singolo del momento torcente della velocita' angolare e del senso di rotazione di assi rotanti - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DEL MODELLO DI UTILITÀ' avente per titolo "SISTEMA DI MISURA A COLLIMAZIONE A FASCIO SINGOLO DEL MOMENTO TORCENTE, DELLA VELOCITA’ ANGOLARE E DEL SENSO DI ROTAZIONE DI ASSI ROTANTI",

L'invenzione oggetto della presente richiesta di brevetto consiste in un originale sistema elettromeccanico atto ad effettuare la misura del momento torcente, deila velocita' angolare e del senso di rotazione di assi rotanti, utilizzando una sorgente di radiazioni focalizzata e puntiforme, un sensore adatto a rivelare codesta radiazione posto sull'asse della sorgente di radiazioni e ad una certa distanza dalla stessa e due dischi calettati sull'asse rotante dotati di un determinato numero di feritoie calibrate (v. Disegno Principale). La sorgente di radiazioni dovrà' essere focalizzata e puntiforme. Il segnale fornito dal sensore sara' di tipo elettrico. Questo segnale verrà' quindi inviato ad un sistema elettronico che provvedere' ad effettuare le necessarie elaborazioni ed a fornire come risultato la misura delle grandezze di cui al titolo. Il sistema cosi' realizzato e' a collimazione a fascio singolo poiché' nel sistema e' presente una sola sorgente ed un solo rivelatore posti in collimazione tra loro.

Attualmente lo stato della tecnica prevede sistemi basati su altri principi e dalle prestazioni piu' scadenti quanto a precisione, affidabilita', ripetibilità' della misura e manutenzione periodica richiesta.

Le tecniche sinora piu' usate sono due: A) quella ad estensimetri di tipo "Strain Gauge"; B) quella mediante trasmettitori di impulsi sincronizzati con l'asse in rotazione.

A) Questa tecnica, che prevede l'uso di estensimetri di tipo Strain Gauge posizionati secondo predeterminati angoli sull'asse in modo da misurare lo sforzo sopportato dallo stesso, obbliga a sistemare sull'asse in rotazione tutta la circuìteria elettronica che trasduce il segnale fornito dagli estensimetri. L'alimentazione dell’elettronica avviene normalmente tramite contatti striscianti sistemati sull'asse. I dati oggetto della misura possono essere prelevati sempre tramite contatti striscianti oppure trasmessi per mezzo di onde herziane ad un opportuno ricevitore posto in un luogo piu' riparato.

I principali svantaggi di questo metodo di misura consistono nel fatto che le prestazioni degli estensimetri degradano nel tempo e non sempre sono perfettamente lineari. Inoltre e' necessario effettuare un montaggio accurato degli estensimetri sull'asse sia per quanto riguarda la tenacità' del fissaggio, sia per quanto riguarda l'angolo di orientamento. Infine la presenza di contatti striscianti pregiudica l'affidabilita' nel tempo del sistema, obbliga a manutenzione periodica e rende possibile la sua applicazione solo ad assi che ruotino piuttosto lentamente al fine di limitare l’usura. La soluzione della trasmissione dei dati tramite onde herziane non risolve drasticamente il problema poiché' spesso i luoghi in cui vengono sistemati tali sistemi di misura sono interessati da disturbi elettromagnetici generati da apparecchiature estranee che possono rendere inefficace la trasmissione dei dati.

B) Questa tecnica si basa sulla misura dello sfasamento del segnale elettrico generato da due trasmettitori di impulsi che, a loro volta sono azionati da due ingranaggi sistemati sull'asse in rotazione. Gli ingranaggi sistemati sull'asse ingranano su due ingranaggi piu' piccoli calettati sugli alberi dei due generatori di impulsi. In questo caso i due trasmettitori di impulsi e le due relative coppie di ingranaggi devono essere posti ad una distanza di diversi metri tra loro in modo da poter avere una torsione apprezzabile dell'asse e quindi uno sfasamento del segnale elettrico notevole. Una variante di tale metodo prevede l'uso di due ruote foniche (anziché1 di due copppie d'ingranaggi) calettate sull'asse e due generatori di impulsi sistemati in corrispondenza di ciascuna ruota. Tipicamente i due trasmettitori di impulsi sono dei dispositivi ottici a collimazioni Quindi il sistema e' a collimazione a doppio fascio, poiché' ogni trasmettitore di inpulsi e' dotato di un proprio fascio.

Un sistema di questo tipo presenta diversi svantaggi. Innanzitutto l'accoppiamento meccanico tra i due ingranaggi calettati sull'asse in rotazione ed i due ingranaggi posti sugli alberini dei due trasmettitori di impulsi, e' sorgente di errori dovuti ai laschi meccanici che inevitabilmente si instaurano col passar del tempo a causa dell'usura. Inoltre l'accoppiamento meccanico necessita dì un certa manutenzione. A ciò' va aggiunto il fatto fondamentale che il sistema prevede due trasmettitori di impulsi che in fase di taratura devono essere fra loro sincronizzati. Infine poiché' i due sistemi di ingranaggio-ingranaggio-trasmettitore di impulsi devono essere posti ad una distanza di diversi metri tra loro, il sistema di misura diviene improponibile se non per assi di notevoli lunghezze e quindi preclude l'applicazione di questo metodo a sistemi meccanici di dimensioni ridotte. Per tutti i motivi sopra elencati un sistema di questo tipo non da' nel tempo garanzia di precisione, ripetibilità' ed affidabilita' della misura. I sistemi di questo tipo sono complessi e delicati dal punto di vista meccanico. Un altro notevole incoveniente e' che, se si utilizzano le due coppie di ingranaggi, la velocita' di rotazione dell'asse deve essere piuttosto bassa a causa dei laschi degli accoppiamenti tra gli ingranaggi suddetti e delle inevitabili vibrazioni dell'asse stesso. Da ciò' si deduce che tali sistemi sono adatti solo a motori primi che presentino basse velocita’ di rotazione (tipicamente quelli adatti alla propulsione navale) impedendo l'applicazione nella maggior parte degli altri casi.

Con l'invenzione che di seguito si esporrà' ci si propone invece di superare tutti gli inconvenienti presentati dai sistemi attualmente noti allo stato dell'arte. Il sistema proposto infatti presenta una maggiore precisione della misura, una migliore ripetibilità' della stessa, e' molto piu' affidabile, e inoltre non necessita di manutenzione e tarature periodiche atte a compensare l'usura delle componenti meccaniche (contatti striscianti o ingranaggi) poiché' non vi sono parti che vengono a contatto. Non essendoci parti in contatto non sussistono piu' i problemi dovuti alle vibrazioni dell'asse ed alle eventuali risonanze meccaniche. Tali problemi rendono impossibile l'applicazione dei sistemi oggi allo stato dell'arte ad elevate velocita' di rotazione dell'asse. A favore del trovato si aggiunge che la taratura iniziale e' notevolmente piu' semplice e non richiede strumenti particolari o personale specializzato, e nella maggioranza dei casi non sono necessarie tarature periodiche successive.

Il sistema si compone di due dischi, calettati sull'asse in rotazione, dotati di un certo numero di feritoie, da determinare di volta in volta in base al campo di variazione della velocita' angolare dell'asse (v. Disegno Principale). I due dischi devono essere identici. Essi dovranno essere montati sull'asse ad una distanza L (v. Disegno Principale) variabile in base alle dimensioni dello stesso, ma comunque di molto inferiore a quella necessaria nel caso dei sistemi basati su trasmettitori di impulsi sincronizzati con l'asse rotante. Distanze maggiori daranno luogo a misure piu' precise. I due dischi dovranno essere montati il piu' possibile paralleli, quindi dovranno essere ruotati fino a quando la proiezione ortogonale delle feritoie di un disco sull'altro vadano a coprire una porzione dell’area delle feritoie dell'altro disco (v. Tav. 1 - a). I dischi andranno quindi bloccati rigidamente in modo tale da evitare possibili loro vicendevoli involontarie rotazioni dovute a slittamenti del fissaggio sull'asse in rotazione. A questo punto la parte meccanica del sistema e’ già' montata e tarata. La sorgente di radiazioni dovrà' essere sistemata perpendicolarmente ai due dischi, e quindi parallelamente all'asse rotante, in modo tale da interessare con il suo fascio la zona delle feritoie (v. Disegno Principale). La sorgente di radiazioni sara' tipicamente luce laser poiché' essa risulta particolarmente focalizzata e puntiforme. Si potranno pero' utilizzare, sempre con la medesima efficacia, altri tipi di sorgenti quali ad esempio la luce convenzionale focalizzata, le onde elettromagnetiche, i raggi X, i raggi gamma, le emissioni di particelle ionizzanti, i fotoni, etc.., a condizione che queste siano focalizzate e puntiformi onde poter assicurare una sufficiente precisione della misura. Il fascio emesso dalla sorgente dovrà' essere perpendicolare ai due dischi dotati di feritoie, e quindi parallelo all'asse, e dovrà' collimare sul rivelatore. Il rivelatore, che dovrà' essere del tipo adatto a rilevare le radiazioni emesse dalla sorgente di radiazioni, emetterà' un segnale di tipo elettrico facilmente elaborabile. Poiché' la rotazione delle feritoie e' solidale con l'asse, queste lascieranno passare il fascio emesso dalla sorgente di radiazioni con una frequenza che dipenderà' dalla velocita' angolare dell'asse. Dalla frequenza, che potrà' essere misurata con un frequenzimetro di tipo elettronico e dal numero N di feritoie presenti sulla circonferenza dei dischi, si potrà' ricavare la velocita' di rotazione dell'asse. Inoltre andra' misurato il tempo T1 per il quale la radiazione emessa dalla sorgente, dopo essere passata attraverso le feritoie presenti sui due dischi, andra' ad eccitare il rivelatore montato dalla parte opposta. Il tempo T1 non e’ costante poiché' oltre a dipendere dalla velocita' di rotazione dell'asse, dipende anche dalla percentuale di sovrapposizione dei due dischi (v. Tav. 1 - a, b, c). Tale percentuale varia a seconda del momento torcente a cui e' soggetto l'asse. Piu' precisamente il tempo T1 diminuisce se l'asse gira in un senso (v. Tav.

1 - b), mentre aumenta se l'asse gira in senso inverso (v. Tav. 1 - c). In questo modo e' anche possibile determinare il senso di rotazione dell'asse. Infatti se il tempo T1 di collimazione del fascio che, passando attraverso le due feritoie va a collimare sul sensore, e' maggiore del tempo teorico che si avrebbe con momento torcente nullo per quella determinata velocita' angolare, allora la rotazione avverrà' in un verso; viceversa se il tempo di collimazione e' minore del tempo teorico che si avrebbe con momento torcente nullo per quella determinata velocita' angolare, allora la rotazione avverrà' nel verso opposto.

Tutto quanto detto sopra si può' riassumere in due formule.

Per la velocita' di rotazione si ha: RPM=f(n, N, T) , dove n e' il numero di impulsi conteggiati dal rivelatore di radiazioni (a causa delle interruzioni del fascio dovute alle feritoie), N e1 il numero di feritoie presenti sulle circonferenze dei due dischi e T e' il periodo di conteggio.

Per il momento torcente si ha. Mt=f(D, L, T1, G, ω) , dove D e' il diametro dei dischi in corrispondenza delle feritoie, L e' la distanza tra i due dischi, T1 e' il tempo durante il quale il fascio può' colpire il rivelatore passando attraverso una singola coppia di feritoie dei due dischi, G e' una costante del materiale di cui e' costituito l'asse, ω e' la velocita' di rotazione dell'asse (v. Disegno Principale).

Formule fisiche piu' dettagliate si possono ricavare con un semplice procedimento matematico.

Per effettuare la misurazione delle grandezze di cui al titolo, il segnale elettrico ricavato dal rivelatore dovrà' essere opportunamente elaborato da un sistema elettronico che potrà' interfacciarsi con l'esterno per fornire le misure calcolate, e/o ricevere dall'esterno informazioni per integrarle con le misurazioni effettuate. Ciò' avviene ad esempio quando viene fornito, in ingresso, il consumo energetico del motore primo che aziona l'asse. Con tale informazione, e conoscendo il momento torcente dell'asse, e' possibile calcolare l'efficienza (consumo specifico) del motore primo stesso.

Da quanto sopra descritto si evince che la misura cosi' effettuata e' di tipo diretto poiché' si basa sulla misura diretta del fenomeno fisico e quindi non e' affetta dagli errori tipici delle misure di tipo indiretto (come nei sistemi ad estensimetri). Inoltre la misura viene eseguita tramite una sola collimazione del fascio emesso dalla sorgente che va a colpire il rivelatore, cioè' e' a fascio singolo e non doppio (come invece sono i sistemi a trasmettitori di impulsi sincronizzati con l'asse rotante). Il vantaggio fondamentale della collimazione a fascio singolo consiste nella non necessita' di dover effettuare delicate sincronizzazioni di due fasci indipendent soggetti, come spesso accade, a notevoli vibrazioni.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI: Con la presente domanda di concessione di brevetto si intende proteggere qualsiasi sistema di misura del momento torcente, della velocita' angolare e del senso di rotazione di assi rotanti che utilizzi un sistema a collimazione a fascio singolo come sopra descritto. Tali diritti si estenderanno anche a sistemi, basati sullo stesso procedimento di misura, che in aggiunta forniscano anche l'indicazione di tutte le possibili grandezze derivate dalle tre indicate nel titolo. Eventuali grandezze derivate sono ad esempio la potenza all'asse, il lavoro compiuto dall'asse, la totalizzazione dei giri compiuti dall'asse stesso. Tali diritti si estendono inoltre anche a sistemi, basati sul procedimento di misura sopra descritto, che utilizzando l'informazione relativa al consumo energetico del motore primo che aziona l’asse, diano come indicazione l'efficienza e/o il consumo specifico del motore primo o altre indicazioni che da queste si possano derivare. I diritti derivanti dal brevetto varranno comunque, a prescindere dal particolare tipo di sorgente di radiazioni e di rivelatore di radiazioni utilizzati, poiché' di volta in volta il mercato e la buona tecnica consiglieranno l'uso della sorgente e del rivelatore piu' adeguati. II brevetto infatti non riguarda il tipo di sorgente ed il tipo di rivelatore utilizzati, bensì' tutto il sistema elettromeccanico di misura ed il procedimento da seguire per ottenere una misura