ES3067007T3 - Measurement device comprising a system for mechanically uncoupling a hall effect sensor - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un dispositivo para medir la distancia entre dos superficies sustancialmente paralelas de un objeto, que comprende un dispositivo electrónico con un sensor de efecto Hall. El dispositivo incluye un sistema de desacoplamiento mecánico que aísla el objeto a medir del dispositivo de medición, eliminando así las interacciones que puedan afectar la medición. La invención también se refiere al uso de dicho dispositivo para medir el espesor de la capa de caucho de un neumático, y más específicamente, para medir el espesor restante de la banda de rodadura. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Dispositivo de medición que comprende un sistema de desacoplamiento mecánico para un sensor de efecto hall Campo de invención

[0003] La presente invención se refiere a un dispositivo para medir la distancia entre dos superficies sustancialmente paralelas de un objeto, comprendiendo dicho dispositivo un aparellaje electrónico que incluye un sensor de efecto Hall. Dicho dispositivo incluye además un sistema de desacoplamiento mecánico que aísla el objeto a medir del aparellaje de medición de manera a eliminar las interferencias que puedan perturbar la medición.

[0004] Estado de la técnica

[0005] El documento WO 2014202747 describe un sistema para medir el grosor de una capa de material gomoso en un neumático. Tiene forma de una caja a fijar al suelo. En uso, este tipo de caja está sometida a fuertes tensiones debido al paso frecuente de vehículos de todo tipo, incluidos vehículos pesados. A pesar de estas tensiones, la caja no debe moverse ni levantarse. Por lo tanto, las cajas suelen fijarse al suelo mediante disposiciones importantes que se realizan en el suelo. Estas disposiciones implican un trabajo importante, largo y costoso. Además, si una unidad resulta estar mal posicionada, cualquier desplazamiento también requiere trabajos importantes, con maquinaria pesada. Por lo tanto, existe una necesidad para permitir fijar y reposicionar fácilmente las cajas de medición, con una implementación simplificada.

[0006] El documento FR3007517 describe un sistema para medir el grosor de una capa de caucho de neumático. Este sistema utiliza una fuente de campo magnético estático y un elemento de medición del campo magnético. Este sistema está diseñado para ser instalado en una caja sobre la que circulan los vehículos. Las mediciones se llevan a cabo en el momento en que las ruedas pasan sobre la caja. La caja debe ser capaz de resistir a cargas importantes. Las tensiones de carga están relacionadas con el número de vehículos que circulan sobre la caja y sus pesos. Además, fallos de funcionamiento de los diferentes elementos electrónicos pueden ser provocados en particular por las vibraciones durante el paso de los vehículos.

[0007] Para superar estos diversos inconvenientes, el documento FR3079568B1 propone un sistema de fijación para dispositivo electrónico, por ejemplo un sensor magnético, en una caja de medición, por ejemplo de características de neumáticos, que permite un montaje de los elementos constituyentes sin holgura ni riesgo de vibración. Sin embargo, en la práctica, este conjunto es extremadamente sensible a las deformaciones y los desplazamientos durante la medición. En efecto, la medición se lleva a cabo en un rango de aproximadamente 2800 milivoltios (mV), y el sensor presenta una deriva de 5 mV por micrómetro (µm) de desplazamiento relativo del imán con respecto al componente de efecto Hall del circuito impreso. Este conjunto debe ubicarse a menos de 4 mm de la superficie de medición del cuerpo mecánico del sensor, en contacto directo con los neumáticos de los vehículos que se analizan, mientras circulan a plena carga. En este contexto, fue difícil aislar completamente (<1 µm) el conjunto del sensor de las deformaciones inducidas por los pasos de los vehículos.

[0008] Los inventores se dieron como objetivo mejorar el dispositivo anterior para aislar el aparellaje electrónico del objeto a medir, de manera a eliminar las interacciones que pudieran interferir en la medición.

[0009] Breve descripción de la invención

[0010] Este objetivo se alcanza mediante un dispositivo para medir la distancia entre dos superficies sustancialmente paralelas de un objeto, tal como se define en la reivindicación 1, y que comprende, entre otro:

[0011] - una celda de medición hermética que tiene al menos una superficie plana, que forma una superficie de medición, comprendiendo dicha celda de medición un aparellaje de medición que incluye una fuente de campo magnético permanente, un circuito electrónico equipado con un sensor de efecto Hall, cuya señal de salida es función del campo magnético generado;

[0012] - estando dicha al menos una superficie plana de la celda de medición destinada a entrar en contacto con una superficie plana del objeto;

[0013] - comprendiendo la segunda superficie de dicho objeto sustancialmente paralela a la primera superficie de dicho objeto una composición basada en materiales ferromagnéticos;

[0014] - estando generada una variación en el campo magnético cuando el objeto se presiona contra la celda de medición.

[0015] Este dispositivo incluye una cavidad estanca llena de un volumen de aire, dispuesta entre el aparellaje de medición y la superficie de medición de la celda.

[0016] El principio de la invención se inspira en el efecto Hall para medir la distancia entre dos superficies sustancialmente paralelas de un objeto, comprendiendo una de las dos superficies una composición basada en materiales ferromagnéticos. La fuente magnética permanente del dispositivo de medición magnetiza la superficie del objeto, que tiene una composición basada en materiales ferromagnéticos. El campo magnético resultante actúa sobre el circuito electrónico del aparellaje de la celda de medición para producir una señal en la salida del sensor de efecto Hall relacionada con la distancia a medir.

[0017] La característica principal de la invención es la disposición de una capa de aire estanca en la cavidad de la celda de medición, a proximidad de la superficie de medición. Esta capa de aire estanca tiene la propiedad de aislar mecánicamente el aparellaje de medición de la superficie de medición donde el objeto toma apoyo.

[0018] Según la invención, la cavidad estanca está delimitada por la superficie interior de la celda de medición y por una pieza de sellado que tiene un perfil homotético al de la celda de medición en su parte superior, que se encuentra debajo de la superficie de medición, y dicha pieza de sellado, en su parte inferior adyacente a la superficie de medición, está provista de un sistema de fijación estanca a la celda de medición.

[0019] El dispositivo según la invención incluye una guía de fijación que ejerce un esfuerzo para mantener el aparellaje de medición contra la pieza de sellado en su porción central lo más cerca posible de la superficie de medición. Según una realización preferida, la parte inferior de la pieza de sellado está incrustada en una resina.

[0020] La realización anterior da como resultado una celda de medición que tiene las ventajas de no estar compuesta por partes metálicas que podrían interferir con la medición. Esta realización es fácilmente accesible y tiene un bajo coste industrial. El encapsulado del aparellaje electrónico en resina permite obtener una vida útil aún mayor de la celda de medición.

[0021] Otras realizaciones de la invención están relacionadas con la elección de la fuente del campo magnético permanente, que puede consistir en al menos una bobina alimentada por una corriente eléctrica continua, o incluso consistir en varios imanes permanentes dispuestos en línea.

[0022] El dispositivo de medición objeto de la invención tiene numerosas aplicaciones. Para ello, la celda de medición puede insertarse dentro de una caja de medición no conductora de electricidad y cuyos materiales tienen una susceptibilidad magnética nula o lo suficientemente bajas como para ser asimilable al aire o al vacío.

[0023] Ventajosamente, el dispositivo consta de una pluralidad de celdas de medición alineadas, instaladas en una caja de medición de manera que cooperen para la medición de la distancia entre dos superficies sustancialmente paralelas en varios puntos de medición.

[0024] En esta configuración, la caja de medición se coloca sobre o se encastra en un suelo de rodadura. Este será el caso cuando este dispositivo se utilice para medir el grosor del material gomoso restante de una banda de rodadura de un neumático.

[0025] De manera conocida, la banda de rodadura de un neumático, ya sea destinado a equipar un vehículo de turismo o a un vehículo pesado, está provista con un dibujo que incluye, en particular, elementos de dibujo o bloques elementales delimitados por varias ranuras principales, longitudinales, transversales o incluso oblicuas, pudiendo los bloques elementales también incluir diversas incisiones o láminas más finas. Las ranuras constituyen canales diseñados para evacuar el agua al rodar sobre terreno mojado y definen los bordes delanteros de los elementos del dibujo.

[0026] Cuando un neumático es nuevo, la banda de rodadura tiene su altura máxima. Esta altura inicial puede variar dependiendo del tipo de neumático considerado y del uso previsto; como ejemplo, los neumáticos de "invierno" generalmente tienen una profundidad de dibujo mayor que la de los neumáticos de "verano". Cuando el neumático se desgasta, la altura de los bloques elementales del dibujo disminuye y la rigidez de estos bloques elementales aumenta. El aumento de la rigidez de los bloques elementales del dibujo conlleva una disminución de ciertas características de rendimiento del neumático, tal como la adherencia sobre suelo mojado. Además, las capacidades de evacuación del agua disminuyen significativamente cuando la profundidad de los canales de los dibujos disminuye.

[0027] Por lo tanto, es deseable poder seguir la evolución del desgaste de la banda de rodadura de un neumático. El dispositivo objeto de la invención es aplicable al seguimiento del desgaste de un neumático.

[0028] Mediante el dispositivo de la invención, se pueden medir otros grosores del material del neumático. Este es el caso al medir el grosor del material gomoso en el flanco o en una goma interior de un neumático.

[0029] Ventajosamente, en el caso en el que la caja de medición tiene su propia fuente de alimentación, como, por ejemplo, una batería, la caja de medición es una caja portátil.

[0030] Otro objeto divulgado, pero no reivindicado, por la presente patente es un procedimiento para fabricar una celda de medición que comprende las siguientes etapas:

[0031] a. mecanizado de la geometría de la celda de medición;

[0032] b. colocación una pieza de sellado en la celda de medición de manera que quede un volumen de aire entre dicha pieza de sellado y el fondo de la celda de medición dentro de la superficie de medición;

[0033] c. posicionamiento de un aparellaje de medición electrónico (circuito impreso electrónico, imanes toroidales, sensor de efecto Hall) en la celda de medición por compresión mediante una pieza de sellado utilizando una guía de fijación;

[0034] d. mantenimiento del aparellaje electrónico en su posición definitiva mediante una placa imantada paralela a la superficie de medición;

[0035] e. inyección de una resina en la celda de medición;

[0036] f. cierre de la celda de medición con un recubrimiento de resina de manera a garantizar su estanqueidad. Otro objeto divulgado, pero no reivindicado, por la presente patente, es un procedimiento para fabricar una caja de medición. El circuito electrónico, que incluye el sensor de efecto Hall, y el circuito magnético hacen que el uso de componentes metálicos en la fabricación de la caja de medición sea prohibitivo. Los componentes metálicos podrían interferir en el funcionamiento del aparellaje de medición. El montaje de los componentes para obtener la caja de medición debe ser sencillo en la fábrica, sin generar costes adicionales en comparación con el existente. Como sustituto de los componentes metálicos se pueden usar piezas de inyección de plástico. En esta misma línea, se puede considerar el recubrimiento de resina de la caja para garantizar su estanqueidad. Por último, la fabricación de la caja de medición debe ser reproducible sin necesidad de desarrollar conocimientos técnicos específicos, y el ensamblaje de las piezas debe realizarse respetando las tolerancias estándar. Tal procedimiento incluye las siguientes etapas:

[0037] a. mecanizado de la caja de medición;

[0038] b. instalación de las celdas de medición en las cavidades de la caja de medición previstas para tal fin; c. instalación de sensores piezoeléctricos de detección de presencia en el borde de la caja de medición; d. Realización de una conexión a la red eléctrica pública mediante un transformador para proporcionar a la caja de medición una fuente de alimentación de corriente continua;

[0039] e. instalación de una placa base que contiene los componentes electrónicos necesarios para el funcionamiento de la caja de medición;

[0040] f. instalación de una infraestructura de radiocomunicación (lector RFID, antenas, recepción/transmisión de datos);

[0041] g. uso de imanes de neodimio para posicionar las celdas de medición en la caja antes del recubrimiento con resina;

[0042] h. cierre estanco de la caja de medición mediante recubrimiento por resina.

[0043] Descripción de las figuras

[0044] Las figuras adjuntas ilustran el dispositivo de medición, especificando la relación entre los diferentes componentes: la celda de medición y la caja de medición. La ilustración se refiere aquí a su aplicación para medir el grosor de bandas de rodadura de los neumáticos:

[0045] - la figura 1 es una vista en perspectiva de una celda de medición;

[0046] - la figura 2 representa una caja de medición con una pluralidad de celdas de medición;

[0047] - la figura 3 es una ampliación de la caja de medición;

[0048] - la figura 4 representa un ejemplo de la aplicación de la invención para medir el grosor restante de una banda de rodadura de un neumático;

[0049] - la figura 5 representa un meridiano del neumático que se va a medir, representado en una referencia cilíndrica (O,r,y,t). El plano meridiano se señala mediante las direcciones radial (Or) y axiales (Oy). La dirección circunferencial (Ot) es ortogonal al plano meridiano (O,r,y).

[0050] - la figura 6 es una ampliación de la parte rodeada por un círculo punteado en la figura 5. Permite representar la relación entre las distancias medidas;

[0051] - la figura 7 representa los resultados de la medición de distancia en un dispositivo del estado de la técnica, figura 7-A, y en un dispositivo según la invención, figura 7-B.

[0052] Descripción detallada de la invención

[0053] La figura 1 representa una celda de medición, que es el elemento de base del dispositivo de medición de la invención. Esta celda de medición se identifica con la referencia general 1 y está destinada a medir, por ejemplo, la distancia entre dos superficies sustancialmente paralelas de un objeto que comprende:

[0054] - un aparellaje de medición que incluye una fuente magnética estática permanente 30, un circuito electrónico 50 equipado con un sensor de efecto Hall, cuya señal de salida es función del campo magnético generado; - una cavidad estanca que contiene un volumen de aire 10 entre el aparellaje de medición y la superficie de medición 2 de la celda de medición 1.

[0055] - la cavidad estanca está delimitada por la superficie interior de la celda de medición y por una pieza de sellado 20 que tiene un perfil homotético al de la celda de medición 1 en su parte superior, que se encuentra debajo de la superficie de medición 2, y dicha pieza de sellado 20, en su parte inferior adyacente a la superficie de medición, está provista de un sistema de fijación (80, 70) estanca a la celda de medición 1.

[0056] - una guía de fijación 40 aplica un esfuerzo para mantener el aparellaje de medición contra la pieza de sellado 20 en su porción central lo más cerca posible de la superficie de medición 2. La parte inferior de la pieza de sellado 20 está incrustada en la resina 60.

[0057] La figura 2 representa una caja de medición 300 y una pluralidad de celdas de medición 1 alineadas. Las celdas de medición 1 están diseñadas para alojarse en las cavidades 305 de la caja de medición 300 proporcionada para este fin, como se muestra en la figura 2. Una fila puede contener hasta 16 celdas de medición 1. Están espaciadas a una distancia constante de aproximadamente 35 mm. En cada una de las cavidades 305, las celdas de medición 1 son capaces de medir el campo magnético local. Esta realización de la caja 300 permite medir el grosor de la capa de goma de un neumático en varios puntos simultáneamente, a lo largo de una línea.

[0058] La figura 3 muestra una ampliación de la caja de medición 300 que se muestra en la figura 2. La caja de medición 300, en esta realización, está destinada a ser enterrada en el suelo, para realizar mediciones en un neumático montado en un vehículo que pasará por encima de dicha caja 300 que comprende los siguientes componentes: - celdas de medición 1 en cavidades de la caja de medición 300 previstas para tal fin;

[0059] - sensores piezoeléctricos 205 en uno de los bordes de la caja de medición 300 para detectar la presencia de un neumático que se va a medir. una vez activadas por la detección de la presencia de un neumático, las celdas de medición 1 se ponen en modo de espera. para reforzar el sellado de la caja de medición 300, se utilizan parches de butilo que recubren los sensores piezoeléctricos 205 en forma de disco plano. Los cables 220 de los sensores piezoeléctricos están fijados mediante un collarín 221.

[0060] - un sistema de alimentación eléctrica 200 conectado a la red pública y equipado con un transformador que permite proporcionar alimentación de corriente continua a la caja de medición 300. la referencia 270 representa el cableado de la caja de medición 300.

[0061] - una placa base 260 que contiene los componentes electrónicos necesarios para el funcionamiento de la caja de medición 300. un dispositivo 250 fija la placa base a la caja. En particular, la placa base incluye un microprocesador para secuenciar las etapas de funcionamiento: activación de las celdas de medición 1, medición mediante efecto Hall, activación y lectura de los sensores RFID, formateo de datos, transmisión de datos y retorno al modo de espera.

[0062] - una tarjeta de antena 210 para comunicarse con los sensores RFID en el neumático y para conectarse a la red Internet.

[0063] - una gestión de la salida mediante un dispositivo de conexión remota para el postprocesamiento de datos; - conmutadores 240 y 280 de la losa en la placa de fabricación

[0064] La figura 4 muestra un esquema de principio del dispositivo para medir el grosor de la banda de rodadura restante de un neumático. El neumático 100 está montado en su llanta 105. Radialmente dentro de la banda de rodadura 120, está colocada una capa superior 110 formada por refuerzos metálicos paralelos entre sí, que forman un ángulo con la dirección circunferencial comprendido entre 0° y 45°, revestidos en una mezcla elastomérica. El neumático 100, aplastado por la carga del vehículo, rueda sobre la superficie de medición 2 de la caja de medición 300 que está enterrada en un suelo 130.

[0065] El sistema de medición puede utilizarse tanto para un vehículo pesado como para un vehículo de turismo. La medición del grosor restante del material gomoso de la banda de rodadura se toma cuando el neumático 100 rueda sobre la caja de medición 300 sin que sea necesario detener el vehículo ni quitar el neumático del vehículo. La capa superior 110 incluye materiales ferromagnéticos, que son los refuerzos metálicos descritos anteriormente. La capa superior 110 es por lo tanto una buena conductora de campo magnético y una mala conductora eléctrica; las líneas de campo tenderán naturalmente a pasar a través de esta armadura metálica en lugar de a través del aire, ya que el aire tiene una mayor reluctancia que la capa superior. Se observa una localización de las líneas del campo magnético a través de la capa superior 110.

[0066] El modo de funcionamiento del dispositivo de medición de distancia según un objeto de la invención utiliza este principio físico, que es un modo de reluctancia, vinculado por lo tanto a la permeabilidad magnética de las diferentes partes del circuito magnético constituido por la fuente y el objeto cuya distancia se mide con el sensor.

[0067] La figura 5 representa un meridiano del neumático que se medirá en el área de contacto representada en coordenadas cilíndricas (O,r,y,t). El plano meridiano se señala mediante las direcciones radial (Or) y axial (Oy). La dirección circunferencial (Ot) es ortogonal al plano meridiano (O,r,y). El neumático 100 consta de una banda de rodadura 120, dispuesta radialmente hacia el exterior de una capa superior 110. Dicha banda de rodadura también incluye surcos que delimitan los fondos de los huecos 140. En el área de contacto, los meridianos del neumático están en contacto con la caja de medición 300 que contiene las celdas de medición 1.

[0068] La figura 6 representa una ampliación del área rodeada por un círculo punteado en la figura 5. Permite representar la relación entre las distancias medidas.

[0069] Cada celda de medición 1 mide la distancia D1 que la separa de la capa superior 110 del neumático 100. D1 tiene tres componentes. Dos de estos componentes son fijos, la distancia D2 que separa el fondo de los dibujos de la capa superior 110, y la distancia D3 que separa la celda de medición 1 de la cara de aplicación de la caja 300. La distancia "d" corresponde al grosor restante de la banda de rodadura y verifica la relación:

[0070] d=D<1>-D<2>-D<3>

[0071] La distancia D2 se puede conocer a partir de la identificación del tipo de neumático medido. Esta identificación puede ser manual o automática, por ejemplo, mediante la recuperación de datos de identificación apuntados en un transpondedor, tal como un RFID, integrado en la estructura del neumático.

[0072] Con la caja de medición 300, se puede medir la distancia restante d en toda la anchura del área de contacto para establecer el mapa de desgaste de la banda de rodadura 120.

[0073] Pruebas

[0074] Se realizaron pruebas con un dispositivo de medición de distancias de la invención, es decir, con celdas de medición dotadas de un volumen de aire dispuesto entre el aparellaje de medición y la superficie de medición de la celda, de manera a aislar mecánicamente el aparellaje de medición de las tensiones externas. Los resultados de estas pruebas se compararon con los obtenidos con celdas que no incluían este volumen de aire de aislamiento del aparellaje de medición.

[0075] El aparellaje de medición del dispositivo de medición de la invención se fabricó con dos imanes permanentes de neodimio-hierro-boro. Su geometría se define por: diámetro exterior 26,75 mm, diámetro interior 16 mm y altura 5 mm para el primero, y diámetro exterior 19,1 mm, diámetro interior 9,5 mm y altura 6,4 mm para el segundo. El sensor de efecto Hall utilizado era de la marca Honeywell, referencia SS39E.

[0076] La figura 7 muestra la mejora cualitativa en los resultados de medición obtenida con la invención en comparación con el estado de la técnica. En los dos gráficos 7-A y 7-B, las distancias que miden el grosor de la banda de rodadura desde su superficie exterior hasta la primera capa superior en la dirección radial. El eje de las abscisas representa la posición axial en el área de contacto, y el eje de las ordenadas representa la distancia medida desde la capa superior 110 hasta los sensores.

[0077] En el gráfico 7-B, las mediciones son más nítidas, menos borrosas y con mayor precisión en comparación con la figura 7-A. Se trata aquí de una visualización de la mejora cualitativa, incluso si de manera cuantitativa los resultados también son más sólidos con el dispositivo de la invención.

Claims (8)

1. REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de medición de la distancia entre dos superficies sustancialmente paralelas de un objeto, que comprende:

- una celda de medición hermética (1) que tiene al menos una superficie plana, que forma una superficie de medición (2), comprendiendo dicha celda de medición (1) un aparellaje de medición que incluye una fuente de campo magnético permanente (30), un circuito electrónico (50) equipado con un sensor de efecto Hall, cuya señal de salida es función del campo magnético generado (30);

- estando dicha al menos una superficie plana de la celda de medición (2) destinada a entrar en contacto con una superficie plana del objeto;

- comprendiendo la segunda superficie de dicho objeto sustancialmente paralela a la primera superficie de dicho objeto una composición basada en materiales ferromagnéticos;

- estando generada una variación en el campo magnético cuando el objeto se presiona contra la celda de medición (2);

- estando una cavidad estanca llena de un volumen de aire (10) dispuesta entre el aparellaje de medición y la superficie de medición (2) de la celda (1),

estando dicho dispositivo caracterizado por que comprende una guía de fijación (40) que ejerce un esfuerzo para mantener parcialmente el aparellaje de medición contra una pieza de estanqueidad (20) en su porción central más cercana a la superficie de medición (2), y por que la cavidad estanca está delimitada por la superficie interior de la celda de medición y por la pieza de estanqueidad (20) que tiene un perfil homotético al de la celda de medición en su parte superior ubicada debajo de la superficie de medición (2), y dicha pieza de estanqueidad (20), en su parte inferior adyacente a la superficie de medición, está provista de un sistema de enganche (80) estanco a la celda de medición.

2. Dispositivo de medición de distancia según la reivindicación 1, en el que la parte inferior de la pieza de estanqueidad (20) está incrustada en una resina (60).

3. Dispositivo de medición de distancia según una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que la fuente de campo magnético permanente (30) consta de al menos una bobina alimentada por una corriente eléctrica continua.

4. Dispositivo de medición de distancia según una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que la fuente de campo magnético permanente (30) está constituida por una pluralidad de imanes permanentes dispuestos en línea.

5. Dispositivo de medición de distancia según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la celda de medición está dispuesta dentro de una caja de medición (300) que no es conductora de electricidad y cuyos materiales tienen susceptibilidad magnética cero o suficientemente baja como para ser asimilable al aire o al vacío.

6. Dispositivo de medición de distancia según la reivindicación 5, que comprende una pluralidad de celdas de medición (1), alineadas, instaladas en una caja de medición de manera a cooperar para medir la distancia entre dos superficies sustancialmente paralelas en varios puntos de medición.

7. Dispositivo de medición de distancia según la reivindicación 5, en el que la caja de medición (300) está dispuesta sobre o incrustada en un suelo de rodadura (130) de un neumático.

8. Dispositivo de medición de distancia según la reivindicación 5, tal que dicha caja de medición (300) es una caja portátil.