IT201600081373A1 - Trasduttore di posizione lineare - Google Patents

Description

“Trasduttore di posizione lineare”

La presente invenzione concerne un trasduttore di posizione lineare. Più in particolare l’invenzione si riferisce ad un trasduttore di posizione lineare integrato all’interno di cilindri idraulici o pneumatici e guide lineari.

Sono noti nello stato della tecnica sistemi sensorizzati per il controllo di posizione disposti nei principali organi mobili di un sistema meccanico di macchine utensili a controllo numerico o di linee di produzione robotizzate, di veicoli industriali e agricoli o di macchine per la movimentazione di terra. Tra gli attuatoli lineari più diffusi nel mondo industriale e dell’idraulica mobile sono presenti gli attuatoli elettrici lineari e i cilindri idraulici.

Generalmente, in ambito industriale, la parte mobile degli attuatoli elettrici è connessa al cursore del sensore di posizione lineare, che risiede all’esterno dell’attuatore. Per quanto concerne le applicazioni di idraulica mobile, i sensori posti all’esterno dell’attuatore possono risultare sconvenienti perché gli organi mobili dei macchinari possono presentare molteplici gradi di libertà. Inoltre, considerando i livelli di sporco e detriti che caratterizzano l’ambiente di lavoro tipico delle macchine agricole e di movimento terra, il sensore montato all’esterno dell’azionamento, se non debitamente protetto, rischia di danneggiarsi. Per questo motivo risultano particolarmente attrattivi tutti quei sensori di posizione lineare che possono essere montati direttamente all’interno del cilindro idraulico o pneumatico o, più in generale, dell’azionamento.

Attualmente esistono sensori di posizione lineare basati su diversi principi di funzionamento.

Sono noti sensori resistivi come quello descritto nel brevetto US 4,386,552 dove si utilizza un sensore potenziometrico resistivo come elemento primario di un trasduttore di posizione lineare interno cilindro. Questo tipo di sensore è composto da un cursore, che include un contatto elettrico strisciante ed una pista resistiva circolare sulla quale scorre il cursore. Il cursore si muove di moto circolare e, strusciando, modifica il percorso elettrico della pista, determinando una variazione della resistenza equivalente tra i due terminali della pista resistiva.

Il sensore potenzi ometrico è alloggiato nell’estremità fissa del cilindro idraulico e, insieme al sistema meccanico che lo accoppia al movimento dell’asta del pistone tramite una vite filettata, realizza il trasduttore lineare di posizione. H sistema meccanico è costituito da una barra a sezione quadrata attorcigliata, la quale è sostenuta all’interno dell’estremità fissa del cilindro idraulico ed è libera di ruotare attorno al suo asse. L’asta del pistone è forata e accoglie al suo interno la barra con la quale si accoppia tramite una boccola di comando. La barra ruota in risposta al movimento lineare della boccola di comando inclusa nell’asta del pistone e comanda tramite una serie di ingranaggi di riduzione il cursore del sensore potenziometrico.

Le principali limitazioni di questa tecnica di misura riguardano l’usura della pista resistiva ad opera del contatto strisciante. Inoltre, per trasdurre la posizione dell’asta del cilindro, il sensore potenziometrico resistivo deve essere alloggiato insieme alla meccanica di accoppiamento al pistone all’interno del compartimento dell’olio, esponendo costantemente la pista resistiva agli effetti corrosivi dell’olio e delle impurità in esso presenti. Infine, a seguito di un malfunzionamento, il sensore potenziometrico non può essere facilmente estratto per essere sostituito, a meno di non smontare l’estremità fissa del cilindro in cui è alloggiato.

Sono noti sensori capacitivi come quello descritto nel brevetto FR 2539868, in cui si utilizza un sensore capacitivo come elemento primario di un trasduttore di posizione lineare interno cilindro. Questo tipo di sensore è composto da due armature, una realizzata dalla stessa asta del pistone, la quale è forata e permette lo scorrere al suo interno della seconda armatura costituita da un’asta solidale all’estremità fissa del cilindro idraulico. Le due armature sono elettricamente isolate tra loro. La capacità elettrica equivalente misurabile tra le due armature varia in funzione della lunghezza del tratto che vede le due armature affacciate.

Questa tecnica di misura senza contatto preserva dall’usura meccanica gli elementi primari che compongono il sensore. Tuttavia, per trasdurre la posizione dell’asta del pistone, il sensore capacitivo deve essere alloggiato all’interno del compartimento dell’olio. Quindi, l’intera parte sensibile del trasduttore è costantemente immersa in olio, il quale, oltre a poter presentare effetti corrosivi, ha sensibili variazioni della sua costante dielettrica al variare del livello di impurità, come sporco e acqua, della temperatura e pressione di lavoro. Tale indesiderata variazione della costante dielettrica si riflette sulla capacità equivalente tra le due armature e, se non compensata, può essere erroneamente interpretata come la variazione della posizione delTasta del cilindro.

Inoltre, a seguito di un malfunzionamento, il sensore capacitivo non può essere facilmente estratto per essere sostituito: un’armatura è parte integrante del pistone, mentre l’altra armatura può essere sfilata solamente dopo aver rimosso l’estremità fissa del cilindro idraulico.

Sono noti sensori induttivi come quello descritto nel brevetto US 6,943,543 che è costituito da una guida sulla quale sono disposte due piste conduttive, una di eccitazione e una di misura rispettivamente a forma di rettangolo e V, che si sviluppano per tutta la lunghezza della guida. Sulla guida scorre un cursore a forma di U che include un circuito oscillante passivo. Il circuito è alimentato tramite un apposito impulso elettrico trasmesso lungo la pista di eccitazione. La risposta libera del circuito oscillante si accoppia con la pista di misura per accoppiamento induttivo. A seconda della posizione del cursore, la superficie di accoppiamento tra circuito passivo oscillante e pista di misura varia. E dunque possibile correlare l’ampiezza della tensione ai capi della pista di misura con la posizione lineare del cursore. Avendo piste elettriche disposte per tutta la lunghezza dell’intervallo di misura, un sensore di questo tipo risulta particolarmente suscettibile a fenomeni di interferenza elettromagnetica e di deriva termica.

Nei brevetti US 6,234,061 e US 7,290,476 si utilizza un trasduttore di spostamento induttivo (Linear Variable Displacemnte Transducer - LVDT) come elemento primario per determinare la posizione dell’asta del pistone che scorre alTinterno di un cilindro idraulico. Il trasduttore è realizzato mediante un tubo composto da tre avvolgimenti disposti con assi paralleli e con alTinterno un nucleo cilindrico ferromagnetico mobile, meccanicamente connesso all’asta del pistone. L’avvolgimento centrale è da considerarsi come il primario di un trasformatore, che si accoppia differentemente con i due avvolgimenti secondari in funzione della posizione del nucleo ferromagnetico. La variazione di riluttanza tra gli avvolgimenti del trasformatore è proporzionale allo spostamento del nucleo.

L’accoppiamento meccanico tra il nucleo ferromagnetico e l’asta del pistone è realizzato tramite un sistema incluso all’intemo del cilindro e composto da un filo, fissato ad una estremità alla punta dell’asta, e all’altra estremità ad un tamburo dotato di molla di ritorno. Tramite un meccanismo a vite senza fine, la rotazione del tamburo è convertita nella traslazione di un perno che, con un sistema di camme, insiste sul nucleo ferromagnetico del trasduttore di spostamento induttivo.

Questa tecnica di misura senza contatto preserva dall’usura meccanica gli elementi primari che compongono il trasduttore. Tuttavia, per rilevare la posizione dell’asta del pistone, il sensore induttivo deve essere alloggiato alTinterno del compartimento dell’olio, subendo dunque i suoi effetti corrosivi. Inoltre, per quanto questa tecnica di trasduzione sia relativamente robusta alle variazioni della temperatura di lavoro dell’olio, essa può risentire dell’influenza delle impurità in esso presenti, come sporco e acqua, che possono generare una variazione indesiderata della riluttanza, la quale, se non compensata, può essere erroneamente interpretata come la variazione della posizione dell’asta del cilindro.

La sostituzione dell’elemento primario induttivo a seguito di un malfunzionamento comporta necessariamente la rimozione dell’estremità fissa del cilindro idraulico in cui è alloggiato.

Sono noti sensori magnetoresistivi come quello descritto nel brevetto JP 62229003A in cui si utilizza un sensore di spostamento magnetico basato su magnetoresistori (Giant Magnetoresistance - GMR) come elemento primario per determinare la posizione dell’asta del pistone che scorre alTinterno di un cilindro idraulico. Il trasduttore è costituito da una o più coppie di magneti poste all’ esterno del cilindro idraulico, e da un sensore di intensità del campo magnetico, realizzato con quattro magnetoresistori arrangiati a Ponte di Wheatstone e posizionato alTinterno del cilindro, fissato all’asta del pistone. I magneti di ciascuna coppia sono posizionati in maniera diametralmente opposta rispetto all’asse del cilindro, generando un campo magnetico ortogonale alla direzione dello spostamento dell’asta del pistone. Rivestendo opportunamente il cilindro con materiale ad elevata permeabilità magnetica, il campo generato dalle coppie di magneti è esteso per tutta la lunghezza dello stesso. I magnetoresistori si trovano dunque a muoversi alTinterno di un campo magnetico con intensità che è funzione della posizione dell’asta del pistone.

Questa tecnica di trasduzione è senza contatto, quindi Γ elemento sensibile non subisce usura meccanica. Inoltre, nonostante il sensore di intensità del campo magnetico sia collocato nel compartimento dell’ olio, esso può essere debitamente rivestito da materiale passivante non ferromagnetico per risultare immune ad eventuali effetti corrosivi dell’ olio.

D’altra parte, i magnetoresi stori sono particolarmente sensibili alle variazioni della temperatura di lavoro. Inoltre, essendo posizionati sulla parte mobile del cilindro idraulico, necessitano di un apposito sistema di cablaggio anti-attorcigliamento per poter riportare il segnale elettrico all’esterno dell’apparato meccanico tramite apposito connettore.

Tale complessità si evidenzia anche nell’operazione di sostituzione del sensore a seguito di un guasto: mentre i magneti che generano il campo magnetico di riferimento possono essere alloggiati all’esterno del cilindro, quindi in un luogo più facilmente accessibile dal manutentore, per raggiungere l’elemento sensibile magnetoresi stivo è necessario rimuovere l’estremità del cilindro e sfilare l’asta del pistone.

I sensori magnetostrittivi, alla quale famiglia appartiene il sensore presentato nel brevetto EP 1571425, sono una classica soluzione per ottenere un’accurata misura della posizione lineare di un organo mobile di un sistema meccanico. La tecnica magnetostrittiva si basa sulla misura del tempo di volo di un’onda acustica trasmessa lungo un filo di materiale magnetostrittivo, che viene riflessa indietro in prossimità della strozzatura indotta da un anello magnetico che scorre lungo la guida d’onda. Tale tecnica senza contatto permette di ottenere elevate risoluzioni di misura, a discapito di tuttavia di costi elevati, un’elevata suscettibilità alle variazioni di temperatura, vibrazioni e campi magnetici esterni. Urti meccanici applicati accidentalmente sull’asta contenente la guida d’onda possono compromettere la taratura del sensore, fino a danneggiarlo irrimediabilmente.

II brevetto CN 104,595,282 riporta una delle configurazioni più tradizionali per i sensori magnetostrittivi utilizzati alTinterno di un cilindro idraulico per la misura di posizione dell’asta del pistone. Tali configurazione vede il sensore magnetostrittivo alloggiato nell’estremità fissa del cilindro idraulico con l’anello magnetico connesso all’asta del pistone, realizzata cava in modo tale che all’ interno possa scorrere Tasta contenente la guida d’onda. Per quanto non risentano di particolari problemi di cablaggio del sensore, tali configurazioni espongono l’asta del sensore contenente la guida d’onda alle repentine variazioni di pressione che si generano nel compartimento dell’olio durante il normale funzionamento del cilindro idraulico, sottoponendo il sensore a stress continui che potrebbero danneggiarlo.

Per questo motivo nel brevetto CN 104,895,862 si propone di inserire il sensore magnetostrittivo direttamente all’interno dell’asta del pistone, realizzata appositamente cava e ermeticamente chiusa, mentre l’anello magnetico è fisso all’estremità della parte statorica del cilindro. Il sensore risulta dunque installato in un ambiente non sottoposto all’elevata pressione dell’olio, protetto dai colpi d’ariete che si possono generare in fase di accensione del sistema idraulico. D’altra parte, alimentare e prelevare il dato di misura da un sensore disposto sulla parte mobile del cilindro sottintende diverse difficoltà di cablaggio, banalmente l’aggrovigliamento dei cavi di potenza e segnale. A causa degli elevati consumi della tecnica di misura magnetostrittiva, tali limitazioni non possono essere completamente superate alimentando il sensore a batteria e trasmettendo il dato via radiofrequenza.

La sostituzione del sensore magnetostrittivo a seguito di un malfunzionamento non è affatto agevole: comporta infatti la rimozione dell’estremità, fissa o mobile, del cilindro idraulico in cui è alloggiato.

Sono noti sensori magnetici come quelli descritti nei brevetti US 8,829,893 e US 9,062,694; in detti brevetti si utilizza una schiera di sensori magnetici disposti per tutta la lunghezza della parte fissa di un cilindro idraulico accoppiati a uno o più magneti alloggiati nell’asta del pistone. Sia che si sfruttino elementi magnetoresistivi o ad effetto Hall arrangiati a ponte, il principio di misura è senza contatto, quindi l’elemento sensibile primario è esente dall’usura meccanica e il suo grado di protezione può essere incrementato tramite tradizionali tecniche di passivazione come la resinatura.

I sensori magnetici rilevano l’intensità del campo magnetico. Interrogando ogni sensore e combinando le relative uscite è possibile risalire alla posizione dell’asta. Il pregio di questa soluzione è che la schiera di sensori magnetici può essere posizionata all’esterno del cilindro idraulico, risultando facilmente accessibile per la manutenzione e protetta dagli stress meccanici e termici tipici del compartimento dell’olio. D’altra parte, la struttura stessa del cilindro può attenuare il campo magnetico prodotto dai magneti mobili al suo interno, costringendo la schiera dei sensori a lavorare in condizioni di scarsa sensibilità. Inoltre, la schiera di sensori risulta esposta ad eventuali interferenze generate da componenti metallici o magnetici che si muovono nelle vicinanze del cilindro. Per questi motivi, nel brevetto US 9,062,694 si propone di alloggiare la schiera di sensori su un supporto magneticamente polarizzato, che da un lato scherma contro le interferenze e dall’altro rende più robusta la misura dell’intensità del campo magnetico. Infine, la complessità e costo di tale trasduttore sono direttamente proporzionali alla massima corsa misurabile: maggiore è la lunghezza dell’asta del pistone, maggiore è il numero di sensori magnetici da disporre e più complesso diventa il cablaggio, l’ indirizzamento e la gestione di ciascun elemento sensibile.

Per ridurre, a parità di intervallo di misura, il numero di sensori Hall da includere all’interno della schiera di sensori magnetici, il brevetto WO 2016046537 propone l’utilizzo di una schiera di sensori, connessa all’estremità fissa del cilindro, che può scorrere all’interno dell’asta del pistone, la quale è cava. Nell’asta del pistone è incluso un magnete, cavo anch’esso, appositamente lavorato per generare all’interno della sua cavità un campo magnetico con intensità che varia linearmente a seconda della posizione. Anche in questo caso, combinando la misura dell’intensità del campo magnetico di ciascun sensore della schiera è possibile risalire alla posizione dell’asta. La particolare geometria del magnete garantisce un incremento dell’intensità del campo magnetico lungo l’asse di spostamento dell’asta del pistone rispetto alle soluzioni precedenti, permettendo un posizionamento più rado dei sensori che compongono la schiera. Inoltre, posizionando la schiera di sensori all’interno del cilindro, si riducono gli effetti derivanti da sorgenti di disturbo elettromagnetico a discapito dell’obbligata immersione nel compartimento dell’olio dell’elettronica del sensore, con tutti i problemi di difficile accessibilità in caso di manutenzione che ne conseguono.

Nei brevetti US 7,956,606 e US 9,341,266 si utilizza un solo sensore rotativo magnetico come elemento primario per determinare la posizione di un’asta che scorre all’interno di un cilindro idraulico. L’elemento sensibile è affacciato e allineato al centro di un magnete, che ruota in accordo al movimento dell’asta del pistone. La posizione angolare del vettore di polarizzazione del magnete è dunque trasdotta dell’elemento sensibile in un segnale elettrico. La scheda elettronica e il sistema meccanico che accoppia il movimento lineare dell’asta del pistone con il movimento rotativo del magnete, risiedono in due alloggiamenti separati. Questa soluzione permette di schermare il sensore magnetico rispetto alle interferenze provenienti dall’ambiente esterno al cilindro. La sostituzione dell’elemento sensibile primario a seguito di un malfunzionamento risulta invece più complicata rispetto alla sistema proposto nel brevetto US 8,829,893, poiché è necessario procedere rimuovendo l’estremità fissa del cilindro idraulico in cui è alloggiata l’elettronica.

Nel brevetto US 7,956,606 il cuore del sistema di accoppiamento meccanico è una barra attorcigliata ad elica e un apposito cursore a rulli. L’asta del pistone è forata e permette lo scorrere al suo interno della barra, la quale è fissa all’estremità del cilindro idraulico e libera di ruotare attorno al suo asse. La barra, stretta tra i rulli del cursore, ruota in risposta al movimento lineare del cursore, fissato all’interno dell’asta del pistone, e la sua rotazione è direttamente trasmessa al magnete, alloggiato nella sua estremità.

Similmente, nel brevetto US 9,341,266 il sistema di accoppiamento meccanico tra asta del pistone e magnete è costituito da una vite ad elica e da un cursore o madrevite. La vite ad elica ruota in risposta al movimento lineare della madrevite di comando impanata nel suo filetto e inclusa nell’asta del pistone. In configurazione singola, all’estremità della vite ad elica è alloggiato il magnete, affacciato al proprio sensore magnetico. Nell’ottica di ottenere una misura ridondante della posizione angolare, la rotazione della vite ad elica è trasmessa a due ingranaggi, ciascuno dei quali include il proprio magnete affacciato al rispettivo sensore magnetico. Qualora la vite ad elica, in risposta al movimento lineare della madrevite, ruota per più di un giro, il sistema di ingranaggi permette di contare il numero di giri sull’ingranaggio lento e di ottenere invece la posizione angolare sul singolo giro tramite l’ingranaggio veloce. Questa strategia vincola il numero massimo di giri multipli contabili alla risoluzione del sensore magnetico, che è tipicamente nell’ordine di 12 bit. Condizioni operative costituite da elevate velocità e accelerazioni, eventualmente in combinazione con effetti di shock dovuti a frenate e ripartenze repentine, possono limitare la vita operativa degli ingranaggi del sistema di riduzione da multigiro a singolo giro. Inoltre, realizzare un elevato rapporto di riduzione penalizza sensibilmente l’ingombro complessivo del sensore.

In vista dello stato della tecnica, scopo della presente invenzione è quello di fornire un trasduttore lineare di posizione che sia più semplice, più robusto, meno costoso e più efficace di quelli noti. Il trasduttore proposto si configura come una soluzione per la misura di posizione lineare che implementa la tecnica di misura magnetica, quindi senza contatto, mediante magnetoresistori (GMR) o dispositivi ad effetto Hall. L’elemento sensibile è concentrato in un’unica porzione del trasduttore, schermata da interferenze magnetiche esterne, protetta da urti meccanici e azioni corrosive di fluidi, compatta, estraibile dall’esterno per eventuale sostituzione o manutenzione, le cui dimensioni e costi sono indipendenti dalla lunghezza dell’intervallo di misura del sensore. La soluzione proposta può essere inclusa all’interno di guide lineari industriali o cilindri idraulici.

In accordo alla presente invenzione, tale scopo viene raggiunto mediante un trasduttore di posizione lineare comprendente:

- una madrevite configurata per muoversi linearmente e fissabile ad un elemento del quale si vuole rilevare la posizione,

- una vite atta a ruotare in risposta al movimento lineare della madrevite,

- almeno un magnete solidale ad un’estremità della vite ed atto a ruotare in maniera sincrona rispetto alla vite,

- mezzi non in contatto con detto magnete, atti a rilevare la rotazione del magnete ed a fornire in uscita la posizione lineare della madrevite, caratterizzato dal fatto che detta vite è una vite multiprincipio e detti mezzi comprendono mezzi di rilevazione configurati per rilevare la posizione angolare del magnete su un singolo giro e per rilevare il numero di giri di rotazione del magnete, detto trasduttore lineare di posizione comprendendo una sorgente ausiliaria di alimentazione elettrica per detti mezzi di rilevazione e mezzi di gestione atti a commutare l’alimentazione di detti mezzi di rilevazione su detta sorgente ausiliaria in assenza di tensione di alimentazione proveniente da una rete di alimentazione elettrica esterna.

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di sue forme di realizzazione pratica, illustrate a titolo di esempi non limitativi negli uniti disegni, in cui:

la figura 1 mostra un trasduttore di posizione lineare in accordo alla prima forma di realizzazione dell’invenzione;

la figura 2 mostra più in dettaglio una parte del trasduttore di figura 1;

la figura 3 mostra la scheda elettronica del trasduttore di posizione lineare di figura 1;

le figure 4 e 5 mostrano anelli a bande magnetiche da utilizzare al posto del magnete della figura 1 ;

la figura 6 mostra un trasduttore di posizione lineare in accordo ad una variante della prima forma di realizzazione dell’invenzione;

le figure 7-9 mostrano un trasduttore di posizione lineare in accordo alla seconda forma di realizzazione dell’invenzione;

le figure 10-11 mostrano un trasduttore di posizione lineare in accordo alla terza forma di realizzazione dell’invenzione;

la figura 12 mostra un trasduttore di posizione lineare in accordo alla quarta forma di realizzazione dell’invenzione;

la figura 13 mostra un trasduttore di posizione lineare in accordo alla quinta forma di realizzazione dell’invenzione;

Nelle figure 1-5 è mostrato un trasduttore di posizione lineare in accordo alla prima forma di realizzazione della presente invenzione. Il trasduttore di posizione lineare comprende due sottosistemi, uno meccanico ed uno elettronico. Il sottosistema meccanico converte il movimento lineare di un cursore o madrevite nella rotazione di un magnete. Il sottosistema elettronico rileva la posizione angolare del magnete e la codifica in uscita in maniera proporzionale alla posizione lineare del cursore o madrevite.

Il sottosistema meccanico è costituito da una vite multiprincipio o multifunzione 1 che ruota in risposta al movimento lineare della madrevite di comando 2 impanata nel suo filetto e fissabile ad un elemento del quale si vuole rilevare la posizione. La vite multiprincipio 1 viene preferibilmente realizzata in acciaio inox AISI 304 o 316, mentre la madrevite 2 viene preferibilmente realizzata in plastica autolubrificante resistente all’abrasione, con coefficienti minimi di attrito nel funzionamento a secco. La vite multiprincipio consente una migliore risoluzione rispetto alle tradizionali viti ad elica e la presenza di materiali plastici autolubrificanti per la realizzazione della madrevite 2 consentono una maggiore linearità ed una maggiore resistenza all’usura della coppia vite multiprincipio-madrevite rispetto all’arte nota.

La madrevite 2 può presentare una flangia di fissaggio 3 con l’organo mobile del macchinario di cui si vuole monitorare la posizione, come visibile in figura 2. Una o entrambe le estremità della vite possono presentare un sistema di contenimento radiale e blocco assiale 4 della vite 1 stessa. Tale sistema può essere realizzato tramite cuscinetti, a sfera o a rullini, combinati con cuscinetti conici o reggispinta o, preferibilmente, cuscinetti autocentranti Questi ultimi permettono di compensare i disallineamenti che generalmente sorgono durante T installazione del trasduttore, ri ducendo ulteriormente T effetto degli attriti e garantendo di conseguenza una vita operativa più estesa al trasduttore proposto.

Un magnete 5 è fissato ad una delle estremità della vite 1. Il magnete 5, con polarizzazione orizzontale o comunque ortogonale all’asse di rotazione della vite multiprincipio, ruota in maniera sincrona rispetto alla vite 1, senza che la sua velocità sia ridotta tramite ingranaggi o riduttori meccanici in generale. In funzione alTintervallo di misura di lunghezza del trasduttore, è dunque possibile che il magnete 5 compia più di un giro attorno al suo asse di rotazione; in tal modo aumenta la risoluzione del trasduttore di posizione lineare senza ingranaggi e riduttori da multigiro a singolo giro, il sottosistema meccanico proposto risulta più semplice, più compatto, quindi più affidabile e con una più estesa vita operativa rispetto a quanto presentato nei brevetti US 4,386,552 e US 9,341,266. Infatti il trasduttore di posizione lineare in accordo alla presente invenzione vanta l’assenza di ingranaggi perché essi, in quanto componenti meccanici di precisione, non solo limiterebbero la robustezza, le dimensioni, la massima velocità del movimento tra vite e madrevite, e la durata di vita complessiva del sistema dal punto di vista meccanico, ma anche la linearità e la ripetibilità del trasduttore dal punto di vista metrologico a causa del fenomeno di backlash. Inoltre non sussistono nel trasduttore di posizione lineare in accordo alla presente invenzione limiti meccanici al numero massimo di giri che il magnete può compiere, a differenza di quanto accade per il trasduttore proposto nel brevetto US 9,341,266. In questo caso, infatti, il fattore di ingombro, il costo e il backlash degli ingranaggi, limitano il numero massimo di giri multipli della vite ad elica riducibili a un solo giro del magnete a qualche migliaio. Invece, nel trasduttore di posizione lineare in accordo alla presente invenzione, poiché il conteggio dei giri è demandato ad mezzi di rilevazione non in contatto con il magnete, tale numero può, senza alcuna penalità meccanica o metrologica e difficoltà tecnologica, superare le migliaia di miliardi. Si consideri inoltre che rimpiazzare la funzionalità di un componente meccanico con un componente elettronico determina un incremento dell’ affidabilità del trasduttore nel suo complesso, con un sensibile abbattimento del tasso di guasto e una conseguente predisposizione ai recenti standard intemazionali in fatto di sicurezza funzionale.

L’invenzione proposta prevede che il magnete 5 compia diversi giri attorno al suo asse di rotazione in risposta allo spostamento della madrevite 2 per tutta la lunghezza dell’intervallo di misura. Infatti i mezzi di rilevazione della presente invenzione sono in grado di identificare e memorizzare il conteggio dei giri, anche in assenza di alimentazione esterna. In questo modo è possibile scegliere un dispositivo elettronico che compie la misura di rotazione a risoluzione, e quindi costi, inferiori, senza perdere nella risoluzione complessiva della misura di posizione, che viene dunque scaricata dal numero di giri effettuati dal magnete. Riprendendo l’esempio precedente, per un intervallo di misura di 1 m a cui corrisponde una rotazione di 36000 gradi del magnete (quindi il magnete ha compiuto 100 giri), se si vuole ottenere una risoluzione di lettura di circa 1 mm sarà sufficiente un dispositivo elettronico con una risoluzione a partire da 3 bit.

Ad esempio, si considerino i trasduttori lineari proposti nei brevetti US 7,956,606 e US 9,341,266 con intervallo di misura di 1 m, a cui può essere associata al più una singola rotazione di 360 gradi del magnete, equipaggiati con un solo dispositivo elettronico con una risoluzione di 12 bit = 4096 livelli. Essi presentano dunque una risoluzione nella misura di posizione pari a 0.24 mm (1 m / 4096 livelli), valore che per certe applicazioni potrebbe risultare limitante. Il trasduttore proposto invece, per un intervallo di misura di 1 m a cui corrisponde una rotazione di 36000 gradi del magnete (quindi il magnete ha compiuto 100 giri), equipaggiato anch’esso con un solo dispositivo elettronico a 12 bit, presenta una risoluzione di 2.4 pm (1 m / 100 giri / 4096 livelli), compatibile con la risoluzione tipica dei sensori magnetostri trivi. Combinando l’elevata risoluzione con il miglior valore di linearità della vite multiprincipio rispetto alla vite ad elica del brevetto US 7,956,606, e con il migliore valore di ripetibilità dovuto all’assenza del fenomeno di backlash degli ingranaggi meccanici di riduzione presenti nel brevetto US 9,341,266, il trasduttore proposto si distingue per maggiore accuratezza.

Il sottosistema elettronico comprende i mezzi 6, preferibilmente una scheda elettronica, affacciati al magnete 5 e non in contatto con il magnete 5; i mezzi 6 sono atti a convertire la posizione angolare del magnete 5 in posizione lineare, fornendola in uscita come dato assoluto o incrementale.

Tale tecnica di misura senza contatto previene dall’usura meccanica l’elemento sensibile primario, estendendone dunque la vita operativa e presenta derive termiche estremamente contenute. In particolare, un dispositivo sensibile 7, ad esempio un chip che sfrutta l’effetto Hall o comprende almeno due o tre ponti di magnetoresistori (GMR) a seconda che includa un sistema di riferimento bidimensionale o tridimensionale, è responsabile dell’identificazione della posizione angolare del magnete 5 su un singolo giro ed è atto rilevare i giri di rotazione del magnete; il dispositivo sensibile 7 è operativo solamente in presenza di una tensione di alimentazione, ad esempio la tensione di alimentazione Vin di una rete esterna applicata tra il terminale 8 e massa Gnd. Infatti, la caratteristica principale di questo chip è l’elevata accuratezza nella misura della posizione angolare del magnete, a prescindere dal consumo energetico necessario. In configurazione ridondante, tale chip al suo interno alloggia due o più DIE identici e galvanicamente isolati tra loro, in modo da produrre contemporaneamente più misure indipendenti dello stesso misurando, cioè della posizione angolare del magnete 5.

Il magnete 5 può essere realizzato come singolo magnete o come l’anello a bande magnetiche mostrato in figura 4 o ancora come l’anello a bande magnetiche mostrato in figura 5. Un anello a bande magnetiche permette di utilizzare elementi sensibili 7 più semplici e meno costosi rispetto a quanto presentato nei brevetti US 9,341,266 e US 7,956,606. Inoltre, l’utilizzo di un anello a bande magnetiche permette di posizionare il dispositivo sensibile 7 non solo orizzontalmente, come già proposto nell’arte nota, ma anche verticalmente, sul fianco, all’esterno o all’interno dell’anello.

Il dispositivo sensibile 7 comunica con un dispositivo supervisore 15 dedicato al conteggio dei giri del magnete 5 e alla registrazione dello stato del dispositivo sensibile 7. 1 valori di conteggio dei giri e lo stato del dispositivo 7 possono essere memorizzati o nella memoria volatile (RAM) 151 inclusa nel dispositivo supervisore 15, o in una memoria non volatile esterna come una memoria ad accesso casuale magnetoresistiva (MRAM), ferroelettrica (FRAM) o cancellabile e programmabile elettronicamente (EEPROM). In questo modo il numero massimo di giri multipli contabili è limitato solamente dal tipo di dato numerico associato, che può andare da un massimo di 32 bit per chip con architetture ad 8 bit, fino a 128 bit per architetture a 64 bit. Sono quindi ampiamente superati i 12 bit ottenibili dai sistemi multigiro con riduttore meccanico come quello descritto nel brevetto US 9,341,266. Per realizzare un trasduttore con uscita assoluta è dunque necessario tamponare l’alimentazione del chip per non perdere il conteggio del giro in assenza di alimentazione Vin tra i terminali 8 e massa Gnd. È dunque di primaria importanza che il dispositivo sensibile 7 abbia spiccate caratteristiche di basso consumo. Una volta definite le condizioni operative di velocità e accelerazione angolare massime a cui il magnete è sottoposto, il dispositivo supervisore 15 determina la cadenza temporale con cui risvegliare il dispositivo sensibile 7 dalla condizione di inattività a basso consumo per verificare se un giro sia stato effettivamente compiuto e in quale senso, orario o antiorario.

Il dispositivo supervisore 15 può essere un dispositivo sé stante, o un sottosistema del dispositivo sensibile 7, o un sottosistema di un dispositivo di controllo 18. Essendo tamponato da batteria 11, supercondensatore 12 o sistema di recupero energetico 14, il dispositivo supervisore 15 può monitorare lo stato del sensore e delle sorgenti energetiche ausiliarie anche in assenza di alimentazione Vin tra i terminali 8 e massa Gnd. Ogni variazione significativa dello stato delle variabili monitorate è dunque registrata o nella memoria volatile (RAM) 151 inclusa nel dispositivo supervisore 15, o in una memoria non volatile esterna, e trasmessa al dispositivo di controllo 18 una volta ripristinata l’alimentazione del sensore.

Un apposito dispositivo di gestione 10 monitora e gestisce l’alimentazione del dispositivo sensibile 7 e del dispositivo supervisore 15 secondo la seguente logica: la sorgente di alimentazione preferita è quella esterna Vin ma, in mancanza di tensione tra i terminali 8 e massa Gnd rilevata dal dispositivo 10, lo stesso dispositivo 10 consente l’alimentazione del dispositivo sensibile 7 e del dispositivo supervisore 15 mediante la sorgente energetica ausiliaria inclusa a bordo della scheda 6. Tale sorgente energetica ausiliaria può essere una batteria non ricaricabile 11, o una batteria ricaricabile o supercondensatore 12. Il supercondensatore 12 è generalmente caratterizzato da correnti di autoscarica più elevate rispetto alle batterie ricaricabili, tuttavia permette cicli di carica e scarica pressoché infiniti, rendendolo adatto a tamponare l’alimentazione del sensore per periodi nell’ordine delle decine di ore. D’altra parte, le moderne batterie non ricaricabili vantano correnti di autoscarica tali da garantire la capacità energetica nominale della batteria anche dopo diversi anni di non utilizzo.

In mancanza di tensione tra i terminali 8 e massa Gnd, il dispositivo di gestione 10 consente di alimentare il dispositivo sensibile 7 e il dispositivo supervisore 15 preferibilmente prima con la sorgente energetica ricaricabile 12 e, se anche questa si esaurisce, con la sorgente energetica non ricaricabile 11. Le sorgenti energetiche ricaricabili possono essere ricaricate da un apposito circuito di ricarica 16 normalmente connesso al terminale 8. Nel caso in cui la batteria tampone non ricaricabile 11 non sia presente ed in assenza di alimentazione Vin tra i terminali 8 e massa Gnd, un commutatore 17 comandato dal dispositivo di gestione 10, connette il circuito di ricarica 16 a un sistema di recupero energetico 14, costituito, ad esempio, da un convertitore piezoelettrico o elettromagnetico 141, e da un circuito ottimizzato 142 per Γ estrazione dell’energia dal convertitore. Il dispositivo 10 può essere realizzato, ad esempio, da transistor pilotati da un comparatore o da diodi connessi a catodo comune.

Nel trasduttore di posizione lineare in accordo all’invenzione è stato appositamente scelto un chip per il conteggio del giro che sfrutta l’effetto Hall o magnetoresistivo perché può essere realizzato allo stato solido in tecnologia film sottile, risultando dunque più affidabile di dispositivi elettromeccanici quali i contatti Reed.

Un dispositivo di controllo 18, comprendente almeno un microcontrollore 180 o più microcontrollori per logica di ridondanza ed una memoria 181 dove è immagazzinato ed è operativo un software applicativo, supervisiona il funzionamento dell’intero sottosistema elettronico. In particolare, comunica con il dispositivo 7, provvedendo alla sua configurazione, linearizzazione, azzeramento, compensazione termica, controllo di coerenza in logica di ridondanza, test di autoverifica. Appositi algoritmi implementati all’interno del microcontrollore combinano il numero giri e la posizione angolare sul singolo giro fomiti dai due dispositivi 7 e 15 per ottenere il valore di posizione lineare della madrevite, nel caso in cui il dispositivo 7 includa un sistema di riferimento bidimensionale. Tale valore di posizione lineare della madrevite può essere confrontato con due valori di soglia impostabili, relativi agli estremi della massima corsa ammessa dal trasduttore, per generare il segnale di comando ON/OFF per un relè o transistor. Il dato di posizione lineare è trasmesso al terminale di uscita OUT come segnale analogico (ad esempio: uscita in tensione 0.5.. ,4.5V o 0... 10 V o in corrente 0...20 mA o 4... 20 mA) o digitale (ad esempio: CANOpen, SAE J1939, RS232, RS485, SPI, I<2>C, PWM, quadratura, PROFIBUS, Ethernet). Oltre al dato di posizione lineare, sono preferibilmente inviati sul terminale di uscita OUT appositi segnali di diagnostica del trasduttore, come, ad esempio, mancanza magnete, fallimento del controllo di ridondanza, sovratensione di alimentazione, velocità di rotazione troppo elevata, accelerazione troppo elevata, raggiungimento finecorsa. Altre informazioni di diagnostica registrate durante il periodo di assenza di alimentazione Vin tra i terminali 8 e massa GND possono essere lette dal dispositivo di controllo 18 e trasmesse sul terminale di uscita OUT.

Per incrementare ulteriormente la risoluzione di misura, è preferibilmente previsto un ulteriore dispositivo sensibile che include un sistema di riferimento bidimensionale; i dati dai dispositivi 15 e 7 vengono combinati con quelli fomiti dall’ulteriore dispositivo sensibile.

Essendo tamponato da batteria o sistema di recupero energetico, può risultare necessario azzerare il conteggio dei giri e dell’angolo dei dispositivi 7 e 15 tramite terminale di ingresso IN al termine dell’installazione dell’intero trasduttore. Inoltre, l’uscita analogica del trasduttore può essere ri-scalata in funzione del reale intervallo di misura richiesto dall’applicazione. Tale funzionalità può essere attivata portando a massa GND e al valore della tensione di alimentazione Vin l’apposito ingresso IN rispettivamente con la madrevite in prossimità dello zero e del fondoscala dell’intervallo di misura richiesto.

I due sottosistemi, cioè la scheda elettronica 6 e il sistema meccanico costituito dalla vite multiprincipio 1, dalla madrevite 2 e dal magnete 5, possono risiedere in due alloggiamenti separati da materiale paramagnetico o diamagnetico. Ciò permette, ad esempio, di passivare la scheda elettronica tramite resine, inserendola all’interno di un robusto involucro di alluminio o acciaio inox.

II trasduttore di posizione lineare nella sua variante alla prima forma di realizzazione, semplice e poco costosa e che può vantare un grado di protezione IP69k, comprende sempre la madrevite 2 ed la vite multiprincipio 1, e a differenza della prima forma di realizzazione, un contenitore 19 che alloggia il sistema di contenimento radiale e blocco assiale 4 della vite 1, il magnete 5 e la scheda elettronica 6, eventualmente munito di guarnizione esterna 20, come visibile in figura 6.

La madrevite 2 e il contenitore 19 sono dotati di flangia di fissaggio 3 solidale, rispettivamente, alla parte mobile e alla parte statorica dell’organo meccanico di cui si vuole misurare lo spostamento.

Il sistema di contenimento radiale e blocco assiale 4 della vite 1 può essere realizzato mediante una bronzina con guarnizione 20 per impedire la penetrazione di fluidi all’ interno della camera 22 che alloggia il magnete 5. La scheda elettronica 6 è passivata tramite resina e alloggiata nella camera preposta 23, la quale è separata dalla camera 22 che alloggia il sistema di contenimento radiale e blocco assiale 4 della vite 1 e il magnete 5 da uno strato di materiale diamagnetico o paramagnetico. Il terminale di uscita OUT, il terminale di ingresso IN ed il terminale di alimentazione 8 della scheda elettronica 6 sono realizzati mediante cavo o con connettore integrato 24 nel contenitore 19 del trasduttore.

In accordo ad una seconda forma di realizzazione della presente invenzione mostrata nelle figure 7-9, il trasduttore di posizione lineare viene utilizzato in tal caso per interno cilindro 27. Il trasduttore di posizione lineare della seconda forma di realizzazione dell’invenzione comprende gli elementi della prima forma di realizzazione e/o della sua variante, comprende pertanto sempre la madrevite 2, la vite multiprincipio 1, un contenitore 19 che alloggia il sistema di contenimento radiale e blocco assiale 4 della vite 1 e il magnete 5, e un apposito alloggiamento 23 per la scheda elettronica 6; il cilindro può essere di tipo pneumatico o idraulico. Il sottosistema meccanico è in tal caso completamente immerso nel fluido utilizzato per l’azionamento del cilindro. Nel caso di cilindro idraulico 27, la presenza dell’olio è da intendersi per questo trasduttore come un punto a favore, perché le sue proprietà lubrificanti favoriscono la funzionalità del sottosistema meccanico. Inoltre, considerando le forze che interessano i componenti del cilindro durante il suo tipico funzionamento, eventuale sporco depositato nelle parti mobili del sottosistema meccanico, come tra il filetto della vite 1 e della madrevite 2 o tra gli anelli dei cuscinetti a sfera 4, non può generare grippaggio. Il sottosistema meccanico deve essere realizzato con un materiale compatibile e resistente alla corrosione del fluido utilizzato all’interno del cilindro, come ad esempio acciaio inox AISI 304 o 316.

La camera 22 che alloggia il magnete 5 e l’alloggiamento 23 della scheda elettronica 6 sono isolati da uno strato di materiale diamagnetico o paramagnetico. La madrevite 2 e il contenitore 19 sono entrambi dotati di flangia di fissaggio 3 solidale, rispettivamente, all’asta del pistone 25 e all’estremità fissa 26 del cilindro idraulico 27. Poiché non ci sono passaggi di connettori o cavi tra l’interno e l’esterno del cilindro 27 come accade se si utilizzano sensori magnetostrittivi, non è necessario equipaggiare il sottosistema meccanico di alcuna guarnizione, il che si traduce in una affidabilità e vita operativa maggiore non solo del trasduttore ma dell’intero cilindro 27. Va sottolineato infatti che la guarnizioni sono costantemente sottoposte all’usura dovuta alle forte pressioni, gradienti termici e corrosività del fluido utilizzato nel cilindro 27, quindi il loro utilizzo incide negativamente sul computo complessivo dell’affidabilità e sulla vita operativa del sistema.

In particolarità, nella seconda forma di realizzazione dell’invenzione, l’alloggiamento 23 della scheda elettronica 6 è collocato nell’estremità fissa 26 del cilindro idraulico 27 e permette l’inserimento della scheda elettronica 6 senza dover smontare il cilindro. Questa soluzione apre a strategie di assemblaggio del trasduttore proposto in due tempi, ad esempio pre- e post- vendita. Grazie al costo contenuto dei suoi componenti, il sottosistema meccanico può essere già incluso nel cilindro 27 durante il processo di produzione. Il cilindro 27 può vantare dunque una predisposizione alla misura integrata di posizione dell’asta del pistone 25, che si abilita solamente qualora il cliente scelga effettivamente tale funzionalità, inserendo il sottosistema elettronico nell’apposito vano 23.

La scheda elettronica 6 è passivata tramite resina e alloggiata in un particolare contenitore 28 che include uscita con connettore integrato 24 o cavo e che può essere disposta nei vari modi mostrati nelle figure 7-9. Tale contenitore è munito di flangia di fissaggio 3 per garantirne il bloccaggio una volta inserito nell’apposito alloggiamento 23.

In accordo ad una terza forma di realizzazione della presente invenzione mostrata nelle figure 10-11, il trasduttore di posizione lineare viene utilizzato in tal caso per inclinazione asta pistone e per interno cilindro. Il trasduttore di posizione lineare della terza forma di realizzazione dell’invenzione comprende gli elementi della prima forma di realizzazione e/o della sua variante, comprende pertanto sempre la madrevite 2, la vite multiprincipio 1, il contenitore 19 che alloggia il sistema di contenimento radiale e blocco assiale 4 della vite 1, il magnete 5 ma, in tale terza forma di realizzazione, il trasduttore comprende un ulteriore magnete 35 (fig. 11) e Tapposito alloggiamento 23 per la scheda elettronica 6. In questa terza forma di realizzazione, il sistema di contenimento radiale e blocco assiale 4 comprende un cuscinetto autocentrante 40 che permette non solo la rotazione della vite 1 attorno al proprio asse A, ma anche una leggera inclinazione della stessa rispetto a tale asse A, indicata tramite l’angolo β in figura 11. Tale inclinazione può essere dovuta alle tolleranze dei componenti meccanici che costituiscono il cilindro, ovvero ai disallineamenti che si riscontrano in fase di assemblaggio del trasduttore all’ interno del cilindro. In casi particolari, l’inclinazione della vite 1 può essere associata all’inclinazione della stessa asta del pistone 25, causata, ad esempio, da carichi in punta che stanno forzando Tattuatore idraulico in condizioni di lavoro non sicure. In tal senso, il dato relativo all’ inclinazione della vite può essere utilizzato per monitorare la condizione di corretto funzionamento dell’attuatore e l’usura delle sue parti meccaniche.

Per realizzare la misura di inclinazione della vite 1, all’estremità della stessa è connesso il supporto 34 per i magneti che comprende il magnete 5 con polarizzazione orizzontale o comunque ortogonale all’asse A, che accoppiandosi con il dispositivo sensibile 7 permette la misura della posizione angolare e, con il dispositivo 15, il conteggio dei giri di rotazione del magnete 5, ed il magnete 35 con polarizzazione verticale o comunque parallela all’asse A, che si accoppia con un ulteriore dispositivo sensibile 9, visibile in figura 3, per la misura dell’inclinazione della vite multiprincipio (fig. 11).

L’ulteriore dispositivo sensibile 9, ad esempio un chip che sfrutta l’effetto Hall o che comprende due o tre ponti di magnetoresistori (GMR), a seconda che includa un sistema di riferimento bidimensionale o tridimensionale, è responsabile dell’inclinazione del magnete 35, ed è operativo solamente in presenza di tensione di alimentazione Vin applicata tra il terminale 8 e massa Gnd. Infatti, la caratteristica principale di questo chip è l’elevata accuratezza nella misura della posizione del magnete, a prescindere dal consumo energetico necessario. In configurazione ridondante, tale chip al suo interno alloggia due o più DIE identici e galvanicamente isolati tra loro, in modo da produrre contemporaneamente più misure indipendenti dello stesso misurando, cioè dell’inclinazione del magnete 35.

La misura di inclinazione della vite 1 può essere anche realizzata con il solo magnete 5 con polarizzazione ortogonale all’asse A ed il solo dispositivo sensibile 7 con sistema di riferimento tridimensionale (fig. 10). Appositi algoritmi implementati airinterno del dispositivo di controllo 18 combinano il numero giri e la posizione lungo le tre dimensioni fomiti rispettivamente dai dispositivi 15 e 7 per ottenere il valore di posizione lineare della madrevite e di inclinazione della vite. Il valore di posizione lineare della madrevite e di inclinazione della vite può essere confrontato con due valori di soglia impostabili, relativi agli estremi della massima corsa/inclinazione ammessa dal trasduttore, per generare il segnale di comando ON/OFF per un relè o transistor. I dati relativi alla posizione lineare della madrevite e all’inclinazione della vite sono trasmessi tramite il circuito di interfaccia 182 ai terminali di uscita OUT come segnale analogico (ad esempio: uscita in tensione 0.5.. ,4.5V o 0... 10 V o in corrente 0...20 mA o 4...20 mA) o digitale (ad esempio: CANOpen, SAE J1939, RS232, RS485, SPI, I<2>C, PWM, quadratura, PROFIBUS, Ethernet).

Per incrementare ulteriormente la risoluzione di misura, sono previsti entrambi i dispositivi sensibili 7 e 9 ed entrambi includono un sistema di riferimento tridimensionale; i dati dai dispositivi 15 e 7 vengono combinati con quelli fomiti dal dispositivo sensibile 9.

In accordo ad una quarta forma di realizzazione della presente invenzione mostrata nella figura 12, il trasduttore di posizione lineare viene utilizzato in tal caso per guida lineare. Il trasduttore di posizione lineare della quarta forma di realizzazione dell’invenzione comprende gli elementi della prima forma di realizzazione e/o della sua variante, comprende pertanto la madrevite 2, la vite multiprincipio 1, il contenitore 19 che alloggia il sistema di contenimento radiale e blocco assiale 4 della vite 1, il magnete 5 e la scheda elettronica 6, ma, in questa quarta forma di realizzazione il tutto è chiuso ermeticamente da un cilindro 29 che guida in punta la vite 1 con un secondo sistema di contenimento radiale e blocco assiale 4. La madrevite 2 è, in detta quarta forma di realizzazione, provvista di magneti 31 ed all’esterno del cilindro 29 scorre un cursore magnetico 30 provvisto di magneti 31 ed accoppiato magneticamente con la madrevite 2 interna sfruttando, ad esempio, una combinazione di magneti in configurazione Halbach, come visibile in figura 12. Una o più aste 32 parallele alla vite 1, passanti all’interno della madrevite 2 e fissate alle due estremità ai sistemi di contenimento radiale e blocco assiale 4 della vite 1 sono incluse nel cilindro 29 contenitore del trasduttore per evitare che la madrevite 2 ruoti su se stessa, inducendo una rotazione sulla vite 1 non associata ad un effettivo spostamento lineare del cursore magnetico 30. Inoltre, i magneti 31 alloggiati sulla madrevite 2 possono interfacciarsi alla stessa attraverso un sistema di disaccoppiamento dalla rotazione 21, ad esempio un cuscinetto a rullini o a sfera, in maniera tale che la rotazione indotta sulla vite 1 sia unicamente associata al moto lineare del cursore magnetico 30, e non alla sua rotazione.

Questa soluzione garantisce un grado di protezione IP69k allenterò trasduttore, rendendolo particolarmente appetibile per Γ utilizzo in ambiente alimentare, a rischio esplosivo, come sensore di posizione o, se munito di cursore galleggiante e debitamente rivestito, di livello per fluidi criogenici o corrosivi. Se necessario, il sottosistema meccanico può essere immerso in fluido per ridurre gli attriti meccanici delle sue parti mobili. Inoltre, non rendendo accessibile la movimentazione della vite 1 se non attraverso lo spostamento lineare del cursore esterno 30, è possibile mappare in maniera univoca la curva di linearità del trasduttore associando direttamente la posizione lineare del cursore 30 alla posizione angolare combinata con numero di giri del magnete 5, ottenendo prestazioni in termini di accuratezza superiori rispetto alle soluzione con vite a giorno.

Il cursore magnetico 30 e il contenitore 19 sono dotati di flangia di fissaggio 3 solidale, rispettivamente, alla parte mobile e alla parte statorica dell’organo meccanico di cui si vuole misurare lo spostamento. La scheda elettronica 6 è passivata tramite resina e alloggiata in un particolare contenitore 33 che include uscita con connettore integrato o cavo 8. Tale contenitore 33 è inserito tramite attacco rapido, ad esempio a vite o a baionetta, nella camera preposta 23 alTalloggio della scheda elettronica 6, la quale è separata rispetto alla camera 22 che alloggia il sistema di contenimento radiale e blocco assiale 4 della vite 1 e il magnete 5 da uno strato di materiale diamagnetico o paramagnetico.

In accordo ad una quinta forma di realizzazione della presente invenzione mostrata nella figura 13, il trasduttore di posizione lineare è incluso in una slitta lineare commerciale. Il trasduttore di posizione lineare della quinta forma di realizzazione dell’invenzione comprende gli elementi della prima forma di realizzazione e/o della sua variante, comprende pertanto la madrevite 2 con flangia di fissaggio 3, la vite multiprincipio 1, ma, in detta quinta forma di realizzazione, comprende due supporti 36 che alloggiano i sistemi di contenimento radiale e blocco assiale 4 che guidano la vite 1.

Il trasduttore di posizione lineare della quinta forma di realizzazione dell’ invenzione comprende una o più aste 32 parallele alla vite 1, passanti airinterno della madrevite 2 sono fissate alle estremità ai supporti 36. Le aste 32 evitano che la madrevite 2 ruoti su se stessa, inducendo una rotazione sulla vite 1 non associata ad un effettivo spostamento lineare della madrevite 2. Con la sola aggiunta del magnete 5 e della scheda elettronica 6 alla struttura meccanica preesistente della guida lineare è possibile misurare la posizione lineare della madrevite 2. La scheda elettronica 6 è passivata tramite resina e alloggiata nel contenitore 19 che include uscita con connettore integrato o cavo 8 e flange di fissaggio 3 al supporto 36 della guida lineare.

Anche questa soluzione apre a strategie di assemblaggio del trasduttore proposto in due tempi, ad esempio pre- e post- vendita. Grazie al costo contenuto del magnete 5, esso può essere già incluso nella guida lineare durante il processo di produzione. La guida lineare può vantare dunque una predisposizione alla misura integrata di posizione della madrevite 2, che si abilita solamente qualora il cliente scelga effettivamente tale funzionalità, applicando il sottosistema elettronico tramite le apposite flange di fissaggio 3 al supporto 36 della guida che alloggia il magnete 5.

I trasduttori di posizione lineare delle forme di realizzazioni mostrate nelle figure 1-13 possono anche essere combinati fra essi; ad esempio i trasduttori di posizione lineare della terza, della quarta e della quinta forma di realizzazione possono essere combinati con elementi del trasduttore di posizione lineare della seconda forma di realizzazione dell’invenzione e così via.

Claims (18)

1. RIVENDICAZIONI 1. Trasduttore di posizione lineare comprendente: - una madrevite (2) configurata per muoversi linearmente e fissabile ad un elemento del quale si vuole rilevare la posizione, - una vite (1) atta a ruotare in risposta al movimento lineare della madrevite, - almeno un magnete (5) solidale ad un’estremità della vite ed atto a ruotare in maniera sincrona rispetto alla vite, - mezzi (6) non in contatto con detto magnete, atti a rilevare la rotazione del magnete ed a fornire in uscita (OUT) la posizione lineare della madrevite, caratterizzato dal fatto che detta vite è una vite multiprincipio e detti mezzi comprendono mezzi di rilevazione (7, 15) configurati per rilevare la posizione angolare del magnete su un singolo giro e per rilevare il numero di giri di rotazione del magnete, detto trasduttore lineare di posizione comprendendo una sorgente ausiliaria di alimentazione elettrica (11, 12) per detti mezzi di rilevazione e mezzi di gestione (10) atti a commutare l’alimentazione di detti mezzi di rilevazione su detta sorgente ausiliaria in assenza di tensione di alimentazione (Vin) proveniente da una rete di alimentazione elettrica esterna.
2. 2. Trasduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto magnete è realizzato come un anello a bande magnetiche.
3. 3. Trasduttore secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di rilevazione comprendono un dispositivo sensibile (7) atto a rilevare la posizione angolare del magnete ed i giri di rotazione del magnete ed un altro dispositivo configurato per contare e memorizzare il numero dei giri di rotazione del magnete rilevati, detto altro dispositivo essendo atto a rilevare lo stato del dispositivo sensibile.
4. 4. Trasduttore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detti mezzi comprendono un dispositivo di controllo (18) comprendente almeno un microcontrollore (180) ed una memoria (181) dove è installato ed è in esecuzione un software operativo, detto dispositivo di controllo essendo atto a ricevere i dati rilevati da detto dispositivo sensibile e da detto altro dispositivo ed essendo configurato per fornire sul terminale di uscita (OUT) di detti mezzi la posizione lineare della madrevite.
5. 5. Trasduttore secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un primo alloggiamento (22) per alloggiare almeno detto magnete ed un secondo alloggiamento per alloggiare detti mezzi (23), detto primo alloggiamento essendo separato da detto secondo alloggiamento mediante materiale diamagnetico o paramagnetico.
6. 6. Trasduttore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di comprendere un elemento (4) di contenimento radiale e blocco assiale di detta vite multiprincipio disposto ad un’estremità della vite, detto primo alloggiamento essendo atto ad alloggiare detto elemento di contenimento radiale e blocco assiale di detta vite multiprincipio.
7. 7. Trasduttore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di comprendere un contenitore (19) di detto primo alloggiamento e di detto secondo alloggiamento.
8. 8. Trasduttore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto elemento di contenimento radiale e blocco assiale di detta vite multiprincipio comprende un cuscinetto autocentrante (40) configurato per consentire un’inclinazione della vite multiprincipio rispetto al suo asse di rotazione (A).
9. 9. Trasduttore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di comprendere un ulteriore magnete (35) con polarizzazione parallela all’asse di rotazione (A) della vite multiprincipio, ed un altro dispositivo sensibile (9) magneticamente accoppiato con detto ulteriore magnete ed essendo configurato per rilevare l’inclinazione della vite multiprincipio rispetto al suo asse di rotazione (A).
10. 10. Trasduttore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo sensibile (7) comprende un sistema di riferimento tridimensionale, detto dispositivo sensibile (7) essendo magneticamente accoppiato con detto magnete ed essendo configurato per rilevare l’inclinazione della vite multiprincipio rispetto al suo asse di rotazione (A).
11. 11. Trasduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta vite multiprincipio è realizzata in acciaio inox e detta madrevite è realizzata in materiale plastico autolubrificante.
12. 12. Trasduttore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di comprendere un ulteriore elemento di contenimento radiale e blocco assiale (4) di detta vite multiprincipio disposto all’altra estremità della vite multiprincipio ed almeno un’asta (32) parallela alla vite multiprincipio e passante attraverso detta madrevite, detta almeno un’asta essendo configurata per evitare la rotazione della madrevite.
13. 13. Trasduttore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di comprendere un cilindro (29) contenente la vite multiprincipio ed un ulteriore elemento di contenimento radiale e blocco assiale (4) di detta vite multiprincipio disposto all’altra estremità della vite multiprincipio.
14. 14. Trasduttore secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detta madrevite comprende primi mezzi magnetici (31) e detto cilindro comprende un cursore (30) provvisto di secondi mezzi magnetici (31) magneticamente accoppiati con detti primi mezzi magnetici della madrevite.
15. 15. Trasduttore secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che detto cilindro comprende almeno un’asta (32) parallela alla vite multiprincipio e passante attraverso detta madrevite, detta almeno un’asta essendo configurata per evitare la rotazione della madrevite.
16. 16. Trasduttore secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che detto cursore (30) comprende una flangia (3) fissabile alla parte mobile del componente meccanico del quale si desidera rilevare lo spostamento.
17. 17. Cilindro idraulico (27) o pneumatico comprendente un pistone (25), caratterizzato dal fatto di comprendere un trasduttore di posizione lineare definito come in una qualunque delle rivendicazioni precedenti, detto pistone essendo solidale alla madrevite di detto trasduttore di posizione lineare.
18. 18. Cilindro secondo la rivendicazione 17, caratterizzato dal fatto di comprendere un ulteriore contenitore (28) contenente detti mezzi, un primo alloggiamento per alloggiare almeno detto magnete ed un secondo alloggiamento per alloggiare detti mezzi, detto primo alloggiamento essendo separato da detto secondo alloggiamento mediante materiale diamagnetico o paramagnetico, detto ulteriore contenitore essendo inseribile in e rimovibile da detto secondo alloggiamento.