IT201800002856A1 - Dispositivo trasduttore a fibra ottica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del Brevetto Italiano per Invenzione Industriale dal titolo:

“DISPOSITIVO TRASDUTTORE A FIBRA OTTICA”

CAMPO TECNICO

La presente invenzione riguarda il settore dei sensori/trasduttori di misurazione. Più in particolare, forme di realizzazione della presente invenzione si riferiscono a un dispositivo trasduttore, come un manometro, adatto all’uso in zone a rischio di esplosione.

TECNICA PREESISTENTE

Come è noto in vari settori dell’industria sono impiegati fluidi, ad esempio gas, altamente combustibili. Tali fluidi sono normalmente conservati in contenitori, come bombole e o cisterne, sotto pressione. Per ragioni di sicurezza, i contenitori sono stoccati in ambienti isolati da un impianto industriale in cui i fluidi sono impiegati. Inoltre, anche durante l’impiego i contenitori possono essere situati in ambienti isolati dal resto dell’impianto industriale e collegati allo stesso tramite opportune tubazioni. Tipicamente, l’accesso a tali ambienti isolati è ristretto per evitare una possibile esposizione di personale ai fluidi combustibili ed evitare che occorrano deflagrazioni accidentali.

Di conseguenza è sorta la necessità di monitorare da remoto una o più condizioni operative del fluido, in particolare un valore o un andamento della pressione del fluido confinato nei contenitori stoccati in ambienti isolati. In particolare, vi è la necessità di strumenti di misura in grado di fornire misurazioni affidabili e che non possano innescare combustioni e/o deflagrazioni nell’ambiente isolato.

Nella tecnica, sono stati proposti alcuni sistemi di misurazione a tale scopo. Tuttavia, tali sistemi di misurazione risultano di complessa implementazione, possono essere affetti negativamente dall’eventuale presenza di fluidi dispersi nell’ambiente isolato e/o possono fornire misurazioni errate dovute all’usura o semplicemente a un esercizio prolungato.

Uno scopo della presente invenzione è quello di superare i menzionati inconvenienti della tecnica nota, nell’ambito di una soluzione semplice, razionale e dal costo contenuto.

In particolare, uno scopo della presente invenzione è fornire un dispositivo trasduttore, come ad esempio un manometro, in grado di fornire misurazioni di una grandezza fisica (come ad esempio la pressione) di un fluido, ad esempio confinato in un contenitore, in modo sicuro, senza il rischio di innescare combustioni e/o deflagrazioni. Inoltre, il dispositivo trasduttore (o manometro) secondo la presente invenzione fornisce misurazioni in modo affidabile nel tempo e non affetto dalla composizione dell’atmosfera nell’ambiente di stoccaggio del fluido.

Tali scopi sono raggiunti dalle caratteristiche dell’invenzione riportate nella rivendicazione indipendente. Le rivendicazioni dipendenti delineano aspetti preferiti e/o particolarmente vantaggiosi dell’invenzione.

ESPOSIZIONE DELL’INVENZIONE

L’invenzione, particolarmente, rende disponibile un dispositivo trasduttore (o manometro) comprendente una sonda adatta a convertire un valore di una grandezza fisica (ad esempio pressione) di un fluido in un movimento meccanico di un elemento di segnalazione comprendente una superficie riflettente (in cui il movimento meccanico è proporzionale o comunque legato al valore della grandezza fisica). Inoltre, il manometro comprende un controllore elettronico e una coppia di cavi in fibra ottica connessi alla sonda e al controllore elettronico. Un primo cavo in fibra ottica è configurato per trasferire un segnale luminoso dal controllore elettronico alla sonda e un secondo cavo in fibra ottica è configurato per trasferire un segnale luminoso dalla sonda al controllore elettronico. La superficie riflettente dell’elemento segnalatore è monocromatica, preferibilmente in una scala di grigi, con gradazione linearmente variabile tra un valore minimo e un valore massimo, e il primo cavo in fibra ottica è disposto per proiettare il segnale luminoso sulla superficie riflettente e il secondo cavo in fibra ottica è disposto per ricevere un segnale luminoso riflesso dalla superficie riflettente.

Grazie a tale soluzione, è possibile eseguire una rilevazione del valore della grandezza fisica (ad esempio della pressione)di un fluido da remoto in modo sicuro e affidabile. In particolare, la sonda non comprende alcun elemento tale da poter avviare una combustione di un combustibile diffuso in un ambiente circostante, allo stesso tempo, consentendo di ottenere una misurazione precisa della grandezza fisica del fluido. Inoltre, la superficie monocromatica a gradazione variabile linearmente consente di definire in modo semplice ed efficacie una scala graduata lineare con una risoluzione sostanzialmente corrispondente alla quantità di variazioni di gradazione realizzate sulla superficie riflettente. In aggiunta, l’utilizzo di una superficie monocromatica grigia consente di ottenere una maggiore linearità di misura, in quanto rende il dispositivo trasduttore insensibile a variazioni di composizione e/o densità di un gas contenuto nella sonda che può alterare l’interazione tra segnali luminosi e superficie riflettente, in particolare nel caso di una superficie riflettente colorata, i quali possono provocare ‘salti’ di linearità.

Infine, la superficie monocromatica grigia rende insensibile, o almeno riduce la sensibilità de, le misurazioni a possibili variazioni nella temperatura di colore del segnale luminoso e/o variazioni nella lunghezza d’onda del segnale luminoso.

In una forma di realizzazione, la superficie riflettente è serigrafata con densità linearmente crescente in modo da definire la gradazione linearmente variabile tra il valore minimo e il valore massimo.

Grazie a tale soluzione è possibile realizzare una variazione di gradazione sulla superficie riflettente velocemente ed economicamente, al contempo garantendo un’elevata precisione.

In una forma di realizzazione, l’elemento di segnalazione comprende un disco rotante. Preferibilmente, la sonda del dispositivo trasduttore impone una rotazione al disco tra una posizione angolare di zero, in cui il primo cavo in fibra ottica proietta il segnale luminoso su una porzione della superficie riflettente corrispondente al valore minimo di gradazione, e una posizione angolare di fine scala, in cui il primo cavo in fibra ottica proietta il segnale luminoso su una porzione della superficie riflettente corrispondente al valore di gradazione massimo.

In tale modo l’elemento di segnalazione risulta di realizzazione semplice e adatto a essere utilizzato con trasduttori noti nel settore dei manometri, come un tubo di Bourdon o un diaframma, senza richiedere modifiche a quest’ultimo.

In una forma di realizzazione, il controllore elettronico comprende un circuito trasmettitore connesso al primo cavo in fibra ottica e un circuito ricevitore connesso al secondo cavo in fibra ottica. Vantaggiosamente, il circuito trasmettitore e il circuito ricevitore sono galvanicamente isolati tra loro. Inoltre il controllore elettronico comprende un circuito elaboratore connesso al circuito trasmettitore e al circuito ricevitore per controllare l’operazione degli stessi.

Grazie a tale soluzione il controllore elettronico ha una struttura circuitale particolarmente razionale. Inoltre, l’isolamento galvanico tra circuito trasmettitore e circuito ricevitore garantisce una sicurezza contro l’innesco di combustioni in atmosfere esplosive, ossia comprendenti miscele di gas incendiabili.

In una forma di realizzazione, il controllore elettronico ulteriormente comprende un circuito alimentatore. Preferibilmente, il circuito trasmettitore comprende un modulo pilota e un modulo sorgente luminosa. Il circuito alimentatore fornisce energia elettrica al modulo pilota che genera valori di tensione e corrente per pilotare il modulo di sorgente luminosa, il quale genera il segnale luminoso ed è connesso al primo cavo in fibra ottica. Vantaggiosamente, il circuito trasmettitore ulteriormente comprende un separatore galvanico per accoppiare operativamente il circuito alimentatore al modulo pilota mantenendoli galvanicamente isolati.

Grazie a tale soluzione il circuito trasmettitore risulta sostanzialmente isolato da tensioni di valore elevato, con ciò eliminando, o almeno rendendo minima, la possibilità della generazione di scariche elettrostatiche, o ESD, nel circuito trasmettitore.

In una forma di realizzazione, il modulo pilota comprende un elemento di protezione intrinseca.

In tale modo si dispone un ulteriore isolamento galvanico tra il circuito trasmettitore e il restante controllore elettronico. In particolare, il modulo pilota e, quindi, il modulo sorgente luminosa risultano isolati dal circuito alimentatore da una serie di due isolatori garantendo un sistema particolarmente robusto a scariche elettrostatiche, sovratensioni e/o sovracorrenti.

In una forma di realizzazione, il circuito ricevitore comprende un modulo di conversione e un modulo amplificatore. Il modulo di conversione è connesso al secondo cavo in fibra ottica per ricevere il segnale luminoso riflesso e convertirlo in un segnale elettrico. Il modulo amplificatore è connesso al modulo di conversione per amplificare detto segnale elettrico e fornirlo al circuito elaboratore.

In tale modo si realizza un circuito ricevitore con una struttura compatta e razionale. Inoltre, questo circuito ricevitore è particolarmente adatto a convertire il segnale luminoso in un segnale elettrico adatto alla fruizione diretta da una logica elettronica, ad esempio un microprocessore compreso nel circuito elaboratore.

In una forma di realizzazione, il circuito elaboratore comprende un modulo elaboratore per elaborare il segnale elettrico fornito dal circuito ricevitore. Preferibilmente, il circuito di controllo comprende anche un modulo condizionatore connesso al modulo elaboratore per fornire un corrispondente segnale condizionato selezionato tra un segnale condizionato elettrico e un segnale condizionato in radiofrequenza.

Grazie a tale soluzione è possibile elaborare e preparare per una trasmissione verso un’unità di controllo centralizzato – come un server o una rete informatica o un altro sistema di controllo elettronico – la misurazione del valore di pressione rilevato dal dispositivo trasduttore.

In una forma di realizzazione, il controllore elettronico comprende un circuito di comunicazione connesso al modulo condizionatore. Il circuito di comunicazione comprende un modulo di comunicazione cablata per trasmettere il segnale condizionato elettrico. Preferibilmente, il segnale condizionato elettrico essendo selezionato tra:

un segnale con tensione variabile tra 0-5V;

un segnale con tensione variabile tra 0-10V, e

un segnale con corrente variabile tra 4-20mA.

In tale modo si garantisce una trasmissione a bassa potenza del segnale condizionato attraverso un cablaggio garantendo una bassa probabilità di innesco di materiali o gas combustibili in caso di malfunzionamenti e, allo stesso tempo, un basso rischio di shock elettrici da contatto.

In alternativa o in aggiunta, il circuito di comunicazione comprende un modulo di comunicazione in radiofrequenza per trasmettere il segnale condizionato in radiofrequenza. Preferibilmente, il segnale condizionato in radiofrequenza essendo selezionato tra:

un segnale in accordo allo standard WiFi;

un segnale in accordo allo standard GSM, e

un segnale in accordo allo standard Bluetooth.

Grazie a tale soluzione è possibile trasmettere il segnale condizionato su lunghe distanze in modo semplice e sicuro. In particolare, la trasmissione in radiofrequenza garantisce una elevata sicurezza contro l’avvio di combustioni in atmosfere esplosive, e senza richiedere l’implementazione di infrastrutture complesse.

Agli stessi scopi sopra esposti, un ulteriore aspetto dell’invenzione rende disponibile un metodo per misurare in sicurezza una grandezza fisica di un fluido, ad esempio per mezzo di un dispositivo trasduttore come sopra descritto, il metodo comprendendo:

a) convertire un valore di una grandezza fisica del fluido in un movimento meccanico di una superficie riflettente di un elemento di segnalazione, e b) variare linearmente, tra un valore minimo e un valore massimo, una gradazione monocromatica della superficie riflettente dell’elemento di segnalazione;

c) proiettare il segnale luminoso su una porzione della superficie riflettente; e

d) determinare il valore della grandezza fisica come funzione di una intensità di segnale luminoso riflesso dalla superficie riflettente.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti dalla lettura della descrizione seguente fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle figure illustrate nelle tavole allegate.

La Figura 1 è una vista frontale anteriore schematica di un dispositivo trasduttore secondo la presente invenzione.

La figura 1A è una vista frontale posteriore di una sonda del dispositivo trasduttore di Figura 1.

La Figura 2A è una vista schematica di un particolare di Figura 1 con una copertura rimossa secondo una forma di realizzazione preferita.

La Figura 3A è una vista laterale schematica di un particolare di Figura 2A.

La Figura 2B è una vista schematica di una forma di realizzazione alternativa di Figura 2A.

La Figura 3B è una vista schematica laterale di un particolare di Figura 2B.

La Figura 4 è uno schema a blocchi del manometro secondo la presente invenzione.

MODO MIGLIORE PER ATTUARE L’INVENZIONE

Con particolare riferimento a tali figure, si illustra un dispositivo trasduttore, nel dettaglio un manometro, indicato globalmente con il numero di riferimento 10, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il quale è adatto a misurare o determinare un valore di una grandezza fisica di un fluido (ad esempio una pressione dello stesso).

Il manometro 10 comprende una sonda 20, un controllore 30 e una coppia di cavi in fibra ottica 41 e 43 che collegano operativamente la sonda 20 al controllore 30.

La sonda 20, comprende una scocca 21 a bicchiere, preferibilmente in materiale resistente, ad esempio un metallo o una lega metallica. La scocca 21 comprende una base 210, preferibilmente discoidale, e una parete laterale 211 (cilindrica o prismatica). Dalla scocca 21 si aggettano verso l’esterno un assieme di innesto 22 per una connessione fluidica a un contenitore o altro dispositivo/circuito contenente un fluido in pressione e un assieme connettore 23 per ricevere i cavi in fibra ottica 41 e 43.

Nell’esempio illustrato l’assieme di innesto 21 si deriva radialmente dalla parete laterale 211, l’assieme connettore 23 può aggettarsi assialmente dalla base 210, ad esempio in posizione eccentrica rispetto ad essa (vd. figura 1A, 2A e 3A), o aggettarsi radialmente dalla parete laterale 211 (vd. figura 2B e 3B).

L’assieme di innesto 22 è cavo e comprende un’estremità di base connessa alla scocca 21 e un’estremità di connessione 225 (libera) dotata di elementi di accoppiamento, ad esempio una filettatura e/o sporgenze e recessi di incastro, adatti a effettuare una connessione stagna con un connettore di un ambiente di contenimento o passaggio di un fluido in pressione (ossia caratterizzato da una pressione differente da una pressione ambiente; ad esempio, una pressione maggiore della pressione ambiente). In particolare, l’assieme di innesto 22 mette in comunicazione di fluido l’interno del contenitore con un corpo trasduttore (non visibile nelle figure) alloggiato all’interno di una cavità delimitata dalla scocca 21 del manometro. Tale corpo trasduttore è adatto a convertire una pressione in una forza di spostamento meccanico, e converte una variazione di pressione in uno spostamento meccanico. Nell’esempio considerato, il corpo trasduttore converte valori di pressione in corrispondenti angoli di rotazione di un perno 24 (visibile in Figura 2). Ad esempio, il corpo trasduttore comprende un tubo di Bourdon o un diaframma, le cui strutture sono note e non sono quindi trattate in dettaglio nella presente. Il perno 24 è, ad esempio, ortogonale alla base 210 della scocca 21, ad esempio coassiale ad essa o comunque in posizione eccentrica rispetto all’assieme connettore 23 (quando questo si deriva dalla base 210 stessa).

La parete laterale della scocca 21 definisce un’apertura 25 in cui è inserito un elemento di segnalazione, un disco 50 nell’esempio considerato, mobile rispetto alla scocca 21, ad esempio all’interno di essa. Il disco 50 è adatto a essere fissato (calettato) sul perno 24 in modo da essere ruotato con esso per effetto della pressione del fluido agente sul corpo trasduttore.

L’elemento di segnalazione potrebbe essere, in alternativa, mobile in scorrimento rispetto alla scocca 21 e convertire una pressione in un movimento lineare rettilineo.

Il disco 50 comprende una superficie riflettente 51.

Nella soluzione in accordo con forme di realizzazione della presente invenzione la superficie riflettente 51 è monocromatica con una gradazione linearmente variabile tra un valore minimo e un valore massimo. Preferibilmente, la superficie riflettente è grigia. In altre parole, la superficie riflettente 51 assume una sequenza di gradazioni (o sfumature) crescenti in modo graduale e comprese tra il valore minimo, ad esempio un grigio chiaro, a un valore massimo, ad esempio un grigio scuro.

In una forma di realizzazione preferita (illustrata nelle Figure 2A e 3A), la superficie riflettente 51 è definita o applicata ad una delle superfici principali – ossia, di estensione maggiore – del disco 50, preferibilmente la superficie principale rivolta verso la base 210 della scocca 21, quando il disco 50 è montato sul perno 24.

In alternativa, nella forma di realizzazione mostrata nelle Figure 2B e 3B, la superficie riflettente 51 è definita o applicata ad un mantello – ossia una superficie laterale – del disco 50, la quale è affacciata su una superficie interna della parete laterale 211 della scocca 21 (concentrica ad essa), quando il disco 50 è montato sul perno 24.

In ogni caso, la superficie riflettente 51 è ortogonale all’asse di rotazione del disco 50 (ovvero al perno 24). La gradazione crescente dal valore minimo al valore massimo della superficie riflettente 51 è definita in settori (senza soluzione di continuità) centrati sull’asse di rotazione.

Vantaggiosamente, la superficie riflettente 51 – in entrambe le forme di realizzazione illustrate – è formata in modo da definire una variazione lineare della riflettività della superficie riflettente 51 tra il valore minimo e il valore massimo. In particolare, si ha una riduzione della riflettività passando dal valore minimo di gradazione al valore massimo di gradazione. In altre parole, un coefficiente di riflessione associato alla superficie riflettente 51 varia linearmente tra la posizione angolare di zero e la posizione angolare di fine scala in funzione della variazione della gradazione di grigio della stessa.

La variazione lineare della riflettività della superficie riflettente 51 è quindi sostanzialmente una scala graduata che associa un valore di riflettività a un corrispondente valore di pressione del fluido monitorato.

In entrambe le forme di realizzazione, il disco 50 (e quindi la superficie riflettente 51 dello stesso) è mobile, ovvero ruotabile, tra una posizione angolare di zero (ad esempio definita da un fine corsa meccanico fissato all’interno della scocca 21), e una posizione angolare di fine scala (ad esempio definita da un ulteriore fine corsa meccanico fissato all’interno della scocca 21).

In una forma di realizzazione, la superficie riflettente 51 è serigrafata per definire la variazione lineare della gradazione monocromatica. Vantaggiosamente, la serigrafia ha una densità cromatica crescente tra una densità minima, eventualmente nulla, corrispondente al valore minimo di gradazione a una densità cromatica massima corrispondente al valore di gradazione massima. In altre parole, la variazione di riflettività della superficie riflettente 51 è ottenuta modulando una quantità di materiale depositato sulla stessa tramite il processo di serigrafia. Preferibilmente, il materiale utilizzato è di colore grigio. Naturalmente, nulla vieta di variare la riflettività della superficie riflettente 51 tramite differenti espedienti, come ad esempio differenti metodi di stampa o tramite un processo di opacizzazione, o lucidatura, meccanico e/o chimico.

L’assieme di connessione 23 è adatto a ricevere i cavi in fibra ottica 41 e 43 e disporre gli stessi in una posizione operativa, ovvero tale da poter puntare un segnale luminoso (o fascio di luce) sulla superficie riflettente 51 della sonda 20 e/o ricevere un segnale luminoso riflesso dalla stessa superficie riflettente 51.

In pratica, l’assieme di connessione 23 è definito da un raccordo che mette in comunicazione l’interno della scocca 21 con l’esterno ed è atto a ricevere a tenuta i cavi in fibra ottica 41 e 43, in modo che estremità libere, chiamate estremità di sonda 411 e 431, siano poste all’interno della scocca 21 e siano affacciate, come meglio verrà descritto in seguito, alla superficie riflettente 51, ad esempio ad una minima distanza da essa.

Le estremità di sonda 411 e 431 sono localizzate in un punto fisso della scocca 21 affacciate alla superficie riflettente 51, ovvero alla scala monocromatica graduata definita da essa, in modo che il segnale luminoso emesso dal primo cavo in fibra ottica 41 incida la superficie riflettente 51, in diversi punti di gradazione cromatica, durante la rotazione del disco 50, ovvero della superficie riflettente 51, tra la sua posizione angolare di zero e la sua posizione angolare di fine corsa.

In particolare, le estremità di sonda 411 e 431 sono disposte ed orientate, in modo tale che il segnale luminoso emesso da una di esse, nel dettaglio dal primo cavo in fibra ottica 411, sia ricevuto – una volta riflesso dalla superficie riflettente 51 – nell’altra, nel dettaglio nel secondo cavo in fibra ottica 43.

In particolare, l’assieme di connessione 23 orienta le estremità di sonda 411 e 431 verso la superficie riflettente 51 in modo che il raggio luminoso incidente X-X’ (o segnale luminoso incidente) emesso dal primo cavo in fibra ottica 41 sia inclinato di un angolo uguale e contrario all’angolo di inclinazione del raggio luminoso riflesso Y-Y’ (o segnale luminoso riflesso) che viene ricevuto all’interno del secondo cavo in fibra ottica 43. In particolare, il raggio luminoso incidente X-X’ emesso dal primo cavo di fibra ottica 41 è inclinato di un angolo α, rispetto alla normale alla superficie riflettente 51 nel punto di incidenza I, uguale ad un angolo α’ del raggio luminoso riflesso Y-Y’ ricevuto dal secondo cavo di fibra ottica 42..

Infine, la sonda 20 comprende un elemento di chiusura, ad esempio un coperchio 26, preferibilmente nel medesimo materiale della scocca 21 o di materiale qualunque (anche non trasparente), il quale è adatto a chiudere l’apertura 25, in modo inapribile e non manomettibile o apribile (ove necessario), mantenendo all’interno del volume racchiuso dalla scocca 21 e dal coperchio il disco 50 e il corpo trasduttore in un ambiente stagno e isolato dall’ambiente esterno. Preferibilmente, la sonda 20 ha un grado di protezione almeno pari a IP 55.

I cavi in fibra ottica 41 e 43 sono connessi tramite estremità (non illustrate in dettaglio nelle figure), opposte alle estremità di sonda 411 e 431 ad un controllore 30 per trasmettere e ricevere segnali luminosi, rispettivamente.

Il controllore 30 comprende un circuito trasmettitore 31 connesso al primo cavo in fibra ottica 41, un circuito ricevitore 33 connesso al secondo cavo in fibra ottica 43, un circuito di comunicazione 35 connesso a un cablaggio 60 (ad esempio una coppia di cavi elettrici) o a un’antenna 70, un circuito elaboratore 37 connesso a uno o più dei circuiti 31 – 35, e un circuito di alimentazione 39 operativamente connessi ai restanti circuiti 31 – 37. In particolare, il circuito elaboratore 37 può essere configurato per scambiare segnali con uno o più tra il circuito trasmettitore 31, il circuito ricevitore 33, il circuito di comunicazione 35 e il circuito di alimentazione 39. Diversamente, il circuito di alimentazione 39 è connesso ai restanti circuiti 31 – 37 del controllore 30 per fornire un’energia elettrica agli stessi; a tale scopo, il circuito di alimentazione 39 può comprendere una sorgente di energia, come un gruppo batterie (non mostrato), e/o un cavo di connessione per il collegamento alla rete elettrica (non mostrato).

Preferibilmente, il circuito trasmettitore 31 e il circuito ricevitore 33 sono elettricamente isolati.

Il circuito trasmettitore 31 comprende un modulo pilota, o driver 311, e un modulo sorgente luminosa 313. Il driver 311 e il modulo sorgente luminosa 313 sono connessi tra loro; inoltre, il modulo sorgente luminosa 313 è accoppiato al primo cavo in fibra ottica 41. Ad esempio, il driver 311 comprende una circuiteria adatta a fornire livelli di tensione e corrente adatti al funzionamento del modulo sorgente luminosa 313 e, eventualmente, secondo tempistiche predeterminate (ad esempio, con andamenti con forme desiderate e/o a intervalli predeterminati). Il modulo sorgente luminosa 313 preferibilmente comprende un dispositivo emettitore di luce, preferibilmente a stato solido come un LED o un diodo laser. In una forma di realizzazione, il dispositivo emettitore di luce assorbe una potenza compresa tra 20 mW e 50 mW, come 38 mW, e genera un flusso luminoso compreso tra 250 µW e 350 µW, come 325 µW. Preferibilmente, il dispositivo emettitore di luce genera un fascio luminoso a una lunghezza d’onda (o più) compresa tra 400 nm e 1500 nm, più preferibilmente 550 nm e 700 nm, come 660 nm.

In una forma di realizzazione preferita, il circuito trasmettitore 31 comprende inoltre un separatore galvanico 315 che accoppia operativamente il circuito di alimentazione 39 al modulo pilota 311 mantenendoli galvanicamente isolati. Ancor più preferibilmente, il driver 311 comprende un elemento di protezione intrinseca. In altre parole, il circuito trasmettitore 31 comprende due elementi di isolamento elettrico, i quali sono vantaggiosamente disposti in serie tra loro. Opzionalmente, il driver 311 è anche connesso al circuito elaboratore 37.

Il circuito ricevitore 33 comprende un modulo di conversione 331 e un modulo amplificatore 333. Il modulo di conversione 331 è connesso al secondo cavo in fibra ottica 43 e al modulo amplificatore 333. Inoltre, il modulo amplificatore 333 è connesso al circuito elaboratore 37. Il modulo di conversione 331 comprende un componente in grado di convertire il segnale elettrico in un segnale di corrente come, ad esempio, un sensore ottico come un fotodiodo.

Il circuito elaboratore 37 comprende un modulo di elaborazione 371 e un modulo condizionatore 373 connessi tra loro. Inoltre, il modulo elaboratore 371 è connesso al modulo amplificatore 333 e, eventualmente, al driver 311. Diversamente, il modulo condizionatore 373 è connesso al circuito di comunicazione 35. In una forma di realizzazione, il modulo elaboratore 371 comprende almeno uno tra un microprocessore, un microcontrollore, una FPGA, o un’ASIC e, preferibilmente, un elemento di memoria non volatile. Inoltre, il modulo condizionatore 373 può comprendere almeno un ADC, un DSP e/o un altro dispositivo analogo.

Il circuito di comunicazione 35 comprende un modulo di comunicazione cablata 351 e/o un modulo di comunicazione in radiofrequenza 371. In particolare, sia il modulo di comunicazione cablata 351 sia il modulo di comunicazione in radiofrequenza 371 sono connessi al modulo condizionatore 373. Inoltre, il modulo di comunicazione cablata è connesso al cablaggio 60, mentre il modulo di comunicazione in radiofrequenza 353 è connesso all’antenna 70.

Preferibilmente, i circuiti del controllore 30 sono formati su una o più schede elettroniche (non mostrate) interconnesse tra loro e racchiuse in un contenitore 80. Ancor più preferibilmente anche il contenitore 80 ha un grado di protezione almeno pari a IP 55.

In operazione, il manometro 10 è disposto nel seguente modo. La sonda 20 è connessa in modo fluidico a un contenitore o un circuito contenente un fluido, o una miscela di fluidi, in pressione tramite l’assieme di connessione 22. In particolare, almeno la sonda 20 del manometro 10, secondo forme di realizzazione della presente invenzione, è adatta a essere disposta in zone a rischio di esplosione, come definite nelle norme ATEX e, in particolare, nella direttiva europea 2014/34/UE compresa nelle norme ATEX. Vantaggiosamente, almeno la sonda 20 è adatta a operare in una zona 0 senza rischio di esplosioni. Preferibilmente, sebbene non limitativamente, il controllore 30 può essere installato in una zona con pericolo esplosione minore come una zona 1 o zona 2, con i cavi in fibra ottica 41 e 43 che garantiscono una connessione operativa tra la sonda 20 e il controllore 30 anche su lunghe distanze, al contempo, garantendo ritardi di trasmissione e ricezione dei segnali luminosi trascurabili. Ad esempio, i cavi in fibra ottica sono realizzati in PMMA e garantiscono un’attenuazione del segnale ottico contenuta, in particolare nell’ordine dei 70 – 100 dB/Km.

Alla luce di quanto sopra descritto, il manometro 10 è configurato per fornire indicazioni riguardo alla pressione del fluido nel contenitore/circuito cui è connesso come segue.

Il modulo elaboratore 371 del circuito elaboratore 37 comanda il driver 311 del circuito trasmettitore 31 per generare valori di tensione e corrente adatti a eccitare il modulo sorgente luminosa 313 per generare un segnale luminoso desiderato. Ad esempio, il segnale luminoso può comprendere un impulso o una sequenza, come un treno, di impulsi luminosi. Preferibilmente, il driver 311 è controllato per imporre una generazione periodica del segnale luminoso durante l’esercizio del manometro 10. In alternativa, il modulo elaboratore 371 può comandare il circuito alimentatore 39 che fornisce energia elettrica al driver 311 al fine di attivare quest’ultimo per il pilotaggio del modulo sorgente luminosa 313.

Il segnale luminoso (trasmesso) così generato è immesso nel primo cavo in fibra ottica 41 ed è emesso dall’estremità di sonda 411 di questo per essere diretto contro la superficie riflettente 51 lungo la direzione del raggio luminoso incidente X-X’.

In pratica, il raggio luminoso incidente X-X’ incontra la superficie riflettente 51 in un punto di incidenza I della stessa che dipende dalla posizione angolare del disco 50, ovvero dipende dalla pressione del fluido.

In pratica, il punto di incidenza I è posto lungo la scala (monocromatica) graduale su un arco di circonferenza compreso tra il valore minimo ed il valore massimo, in funzione della posizione angolare del disco 50.

Quando la pressione del fluido è al minimo valore consentito, il punto di incidenza I si trova in corrispondenza del valore minimo di gradazione e, corrispondentemente, il disco 50 (ovvero la superficie riflettente 51) si trova in corrispondenza della sua posizione angolare di zero; quando la pressione del fluido è al massimo valore consentito, il punto di incidenza I si trova in corrispondenza del valore massimo di gradazione e, corrispondentemente, il disco 50 (ovvero la superficie riflettente 51) si trova in corrispondenza della sua posizione angolare di fine scala; quando, poi, la pressione del fluido è in un qualunque valore intermedio tra il suo massimo valore consentito e il suo minimo valore consentito, il punto di incidenza I si trova in corrispondenza di un corrispondente valore intermedio tra il valore massimo e il valore minimo di gradazione e, corrispondentemente, il disco 50 (ovvero la superficie riflettente 51) si trova in corrispondenza della sua posizione angolare intermedi tra la posizione angolare di zero e la posizione angolare di fine corsa.

L’interazione tra il segnale luminoso e la superficie riflettente 51 porta a ottenere un segnale luminoso riflesso lungo la direzione del raggio luminoso riflesso Y-Y’ che rientra nel secondo cavo di fibra ottica 43 attraverso l’estremità di sonda 431 e raggiunge il modulo convertitore 331 del circuito ricevitore 33.

Nelle forme di realizzazione della presente invenzione, il segnale luminoso riflesso ha un’intensità luminosa dipendente dall’intensità luminosa del segnale luminoso emesso dal primo cavo in fibra ottica 41 e dal valore della riflettività della superficie riflettente 51 nel punto di incidenza I. In dettaglio, il valore di riflettività della superficie riflettente 51 è governata dalla posizione angolare imposta dal corpo trasduttore al disco 50 , a sua volta determinato dal valore di pressione del fluido. In altre parole, il punto di incidenza I illuminato dal segnale luminoso corrisponde a una porzione della superficie riflettente 51 del disco 50 determinata dalla posizione angolare assunta da quest’ultimo sulla base della pressione del fluido cui la sonda 20 è accoppiata. Di conseguenza, l’intensità luminosa del raggio luminoso riflesso Y-Y’ fornisce un’indicazione del valore della pressione del fluido.

Preferibilmente, la superfice delle estremità di sonda 431 è disposta rispetto alla direzione del raggio luminoso riflesso Y-Y’, in modo da ottenere una rifrazione totale del segnale luminoso riflesso. In questo modo, è possibile trasmettere al modulo convertitore 331 il raggio luminoso riflesso Y-Y’ con attenuazioni minime.

Il raggio luminoso riflesso Y-Y’ (ovvero il segnale luminoso riflesso) è quindi convertito in un segnale elettrico dal modulo convertitore 331. In particolare, il segnale elettrico contiene un’indicazione dell’intensità luminosa del segnale luminoso riflesso – ad esempio un valore di tensione o corrente del segnale elettrico è associato all’intensità luminosa del segnale luminoso riflesso. Di conseguenza, il segnale elettrico contiene anche un’indicazione del valore di pressione del fluido all’interno del contenitore cui la sonda 20 è accoppiata.

Il segnale elettrico è amplificato dal modulo amplificatore 333 e trasferito al modulo elaboratore 371 del circuito elaboratore 37. Nella soluzione in accordo con la presente invenzione, il modulo elaboratore 371 è configurato per elaborare il segnale elettrico amplificato che è in forma analogica, segnale analogico in breve, in modo da fornire un segnale elettrico digitale, segnale digitale in breve, indicativo della pressione del fluido all’interno del contenitore monitorato. A tale scopo, il modulo elaboratore 371 può essere programmato per convertire il segnale analogico in un segnale digitale implementando una serie di operazioni aritmetico/logiche o tramite l’utilizzo di un look up table memorizzata in un elemento di memoria del modulo elaboratore 371 – in cui a ogni valore, o intervallo di valori, del segnale analogico corrisponde un rispettivo segnale digitale.

Il segnale digitale è quindi fornito al modulo condizionatore 373 del circuito elaboratore 37 per essere opportunamente adattato per la trasmissione cablata o la trasmissione in radiofrequenza. In altre parole, il modulo condizionatore 373 fornisce un segnale condizionato al modulo di comunicazione cablata 351 o al modulo di comunicazione in radiofrequenza 353 del circuito di comunicazione 35.

Infine, il modulo di comunicazione cablata 351 o il modulo di comunicazione in radiofrequenza 353 trasmette il segnale condizionato come un segnale condizionato elettrico attraverso il cablaggio 60 o come un segnale condizionato in radiofrequenza attraverso una trasmissione in radiofrequenza tramite l’antenna 70. Vantaggiosamente, il segnale condizionato è trasmesso a un apparato di controllo remoto (non illustrato) – ad esempio un centro di calcolo, un server, una rete informatica – di un sistema o impianto comprendente il contenitore contenente il fluido di cui il manometro 10 monitora la pressione.

In una forma di realizzazione, il segnale condizionato trasmesso attraverso il cablaggio 60 è un segnale a bassa potenza. Preferibilmente, il segnale condizionato elettrico è selezionato tra:

un segnale con tensione variabile tra 0-5V;

un segnale con tensione variabile tra 0-10V, e

un segnale con corrente variabile tra 4-20mA.

In una forma di realizzazione, il segnale condizionato trasmesso in radiofrequenza è selezionato tra:

un segnale in accordo allo standard WiFi;

un segnale in accordo allo standard GSM, e

un segnale in accordo allo standard Bluetooth.

In particolare, la trasmissione in radiofrequenza risulta più affidabile e adatta all’utilizzo in zone con pericolo di esplosione elevato come le zone 0 o 1 rispetto alla trasmissione cablata. Inoltre, la trasmissione in radiofrequenza risulta implementabile in modo più semplice ed efficiente rispetto al cablaggio, in particolare, quando il segnale condizionato deve essere trasmesso su lunghe distanze e/o sono presenti barriere fisiche tra il controllore e l’apparato di controllo remoto.

In conclusione, il manometro 10 secondo la presente invenzione permette di implementare una procedura, o metodo, particolarmente semplice e sicura per monitorare il valore di pressione di un fluido, in particolare adatta all’utilizzo in zone a rischio di esplosione elevato.

L’invenzione così concepita è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo. Inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti. In pratica i materiali impiegati, nonché le forme e le dimensioni contingenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze senza per questo uscire dall’ambito di protezione delle seguenti rivendicazioni. Vantaggiosamente, i materiali impiegati almeno nella realizzazione della sonda 20 sono adatti all’uso in zone ATEX di classe 0 e 1, secondo la classificazione delle aree di lavoro secondo la Direttiva 99/92/EC.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo trasduttore (10) comprendente: - una sonda (20) adatta a convertire un valore di una grandezza fisica di un fluido in un movimento meccanico di un elemento di segnalazione (50) comprendente una superficie riflettente (51), - un controllore elettronico (30), e - una coppia di cavi in fibra ottica (41, 43) connessi alla sonda (20) e al controllore elettronico (30), in cui un primo cavo in fibra ottica (41) è configurato per trasferire un segnale luminoso dal controllore elettronico (30) alla sonda (20) e un secondo cavo in fibra ottica (43) essendo configurato per trasferire un segnale luminoso dalla sonda (20) al controllore elettronico (30), in cui la superficie riflettente (51) è monocromatica con gradazione linearmente variabile tra un valore minimo e un valore massimo, e in cui il primo cavo in fibra ottica (41) è disposto per proiettare il segnale luminoso sulla superficie riflettente (51) e il secondo cavo in fibra ottica (43) è disposto per ricevere un segnale luminoso riflesso dalla superficie riflettente (51).
2. 2. Il dispositivo trasduttore (10) secondo la rivendicazione 1, in cui la superficie riflettente (51) è serigrafata con densità linearmente crescente in modo da definire la gradazione linearmente variabile tra il valore minimo e il valore massimo.
3. 3. Il dispositivo trasduttore (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’elemento di segnalazione (50) comprende un disco rotante tra una posizione angolare di zero, in cui il primo cavo in fibra ottica (41) proietta il segnale luminoso su una porzione della superficie riflettente (51) corrispondente al valore minimo di gradazione, e una posizione angolare di fine scala, in cui il primo cavo in fibra ottica (41) proietta il segnale luminoso su una porzione della superficie riflettente (51) corrispondente al valore massimo di gradazione.
4. 4. Il dispositivo trasduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la superficie riflettente (51) è grigia.
5. 5. Il dispositivo trasduttore (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il controllore elettronico (30) comprende un circuito trasmettitore (31) connesso al primo cavo in fibra ottica (41), un circuito ricevitore (33) connesso al secondo cavo in fibra ottica (43), il circuito trasmettitore (31) e il circuito ricevitore (33) essendo galvanicamente isolati tra loro, e un circuito elaboratore (37) connesso al circuito trasmettitore (31) e al circuito ricevitore (33) per controllare l’operazione degli stessi.
6. 6. Il dispositivo trasduttore (10) secondo la rivendicazione 5, in cui il controllore elettronico (30) ulteriormente comprende un circuito alimentatore (39), e in cui il circuito trasmettitore (31) comprende un modulo pilota (311) e un modulo di sorgente luminosa (313), il circuito alimentatore (39) fornendo energia elettrica al modulo pilota (311) che genera valori di tensione e corrente per pilotare il modulo di sorgente luminosa (313) il quale genera il segnale luminoso ed è connesso al primo cavo in fibra ottica (41), il circuito trasmettitore (31) ulteriormente comprendendo un separatore galvanico (315) per accoppiare operativamente il circuito alimentatore (39) al modulo pilota (311) mantenendoli galvanicamente isolati.
7. 7. Il dispositivo trasduttore (10) secondo la rivendicazione 6, in cui il modulo pilota (311) comprende un elemento di protezione intrinseca.
8. 8. Il dispositivo trasduttore (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 7, in cui il circuito ricevitore (33) comprende un modulo di conversione (331) e un modulo amplificatore (333), il modulo di conversione (331) essendo connesso al secondo cavo in fibra ottica (43) per ricevere il segnale luminoso riflesso e convertirlo in un segnale elettrico, e il modulo amplificatore (333) essendo connesso al modulo di conversione (331) per amplificare detto segnale elettrico e fornirlo al circuito elaboratore (37).
9. 9. Il dispositivo trasduttore (10) secondo la rivendicazione 8, in cui il circuito elaboratore (37) comprende un modulo elaboratore (371) per elaborare il segnale elettrico fornito dal circuito ricevitore (33), e un modulo condizionatore (373) connesso al modulo elaboratore per fornire un corrispondente segnale condizionato selezionato tra un segnale condizionato elettrico e un segnale condizionato in radiofrequenza.
10. 10. Il dispositivo trasduttore (10) secondo la rivendicazione 9, in cui il controllore elettronico (30) comprende un circuito di comunicazione (35) connesso al modulo condizionatore (373), il circuito di comunicazione (35) comprendendo un modulo di comunicazione cablata (351) per trasmettere il segnale condizionato elettrico, il segnale condizionato elettrico essendo selezionato tra: - un segale con tensione variabile tra 0-5V; - un segnale con tensione variabile tra 0-10V, e - un segnale con corrente variabile tra 4-20mA.
11. 11. Il dispositivo trasduttore (10) secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui il controllore elettronico (30) comprende un circuito di comunicazione (35) connesso al modulo condizionatore (373), il circuito di comunicazione (35) comprendendo un modulo di comunicazione in radiofrequenza (353) per trasmettere il segnale condizionato in radiofrequenza, il segnale condizionato in radiofrequenza essendo selezionato tra: - un segnale in accordo allo standard WiFi; - un segnale in accordo allo standard GSM, e - un segnale in accordo allo standard Bluetooth.
12. 12. Un metodo per misurare in sicurezza una grandezza fisica di un fluido per mezzo di un dispositivo trasduttore secondo una delle rivendicazioni precedenti, il metodo comprendendo: a) convertire un valore di una grandezza fisica del fluido in un movimento meccanico di una superficie riflettente (51) di un elemento di segnalazione (50), e b) variare linearmente, tra un valore minimo e un valore massimo, una gradazione monocromatica della superficie riflettente (51) dell’elemento di segnalazione (50); c) proiettare il segnale luminoso su una porzione della superficie riflettente (51); e d) determinare il valore della grandezza fisica come funzione di una intensità di segnale luminoso riflesso dalla superficie riflettente (51).