IT201800009209A1 - Metodo e dispositivo di misurazione dell’ingombro della sezione trasversale di tubi - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“METODO E DISPOSITIVO DI MISURAZIONE DELL’INGOMBRO

DELLA SEZIONE TRASVERSALE DI TUBI”

La presente invenzione ha per oggetto un metodo per la misurazione dell’ingombro della sezione trasversale di tubi.

In particolare, la presente invenzione concerne un metodo di misurazione dell’ingombro della sezione trasversale di tubi estrusi in materiale termoplastico in grado anche di rilevare la sua deviazione dalla forma nominale cilindrica.

Il metodo secondo la presente invenzione è attuato lungo una linea di produzione di tubi in materiale termoplastico.

La presente invenzione è anche relativa ad un dispositivo di misurazione dell’ingombro della sezione trasversale di tubi in materiale termoplastico. Con l’espressione tubi in materiale termoplastico si intende principalmente tubi destinati alla realizzazione di condotte di adduzione e/o scarico di fluidi (in pressione e non), utilizzate ad esempio in edilizia, nelle reti fognarie, nelle reti di distribuzione di acqua potabile ed in generale di fluidi anche in pressione.

La misurazione continua del diametro dei tubi estrusi in materiale termoplastico è in generale utile in quanto permette di conoscere lo stato qualitativo della produzione in atto ed in particolare consente di monitorare la caratteristica di rotondità del tubo in estrusione. Il tubo infatti, durante il processo di estrusione, in quanto non ancora consolidato, tende generalmente per effetto del proprio peso, a deviare dalla forma cilindrica imposta dall’estrusore e ad assumere tendenzialmente una forma a sezione ellittica. Norme tecniche di riferimento possono imporre un massimo valore ammissibile di deviazione dalla forma cilindrica nominale. Conoscere in tempo reale la forma a sezione ellittica assunta dal tubo, permette quindi di poter intervenire tempestivamente per correggere l’effetto di “out of roundness” non desiderato.

Oltre ciò, esistono poi linee di estrusione nelle quali il dispositivo estrusore è in grado di modificare in tempo reale il diametro del tubo estruso (senza arrestare il processo di estrusione e riattrezzare la linea per il nuovo diametro di tubo da produrre), così da poter realizzare, nella stessa linea, tubi pronti di differente diametro all’interno di un range di diametri anche piuttosto ampio.

Chiaramente, ai fini di rendere possibile il rapido passaggio da un diametro all’altro, è opportuno che anche le macchine disposte a valle dell’estrusore quali traini, taglierine, bicchieratrici, etc… possano riconfigurarsi automaticamente per il nuovo diametro in produzione e siano per questo “avvertite” del mutato diametro, in modo da avviare di conseguenza la loro corrispondente riconfigurazione.

Ad oggi la misurazione continua del diametro del tubo in estrusione, con lo scopo di inviare alle macchine a valle dell’estrusore stesso la segnalazione di variazione del diametro prodotto in corso, è normalmente effettuata mediante dispositivi elettro-meccanici presentanti generalmente un rullo ad asse orizzontale, sul quale poggia il tubo in materiale termoplastico in avanzamento, e due rulli ad asse verticale i quali, mediante opportuni sistemi (elastici, pneumatici, …), sono spinti ad aderire sui fianchi del tubo in transito in posizioni diametralmente opposte.

Mediante opportuna calibrazione, la posizione reciproca dei due rulli ad asse verticale definisce il diametro del tubo che attraversa il dispositivo. Il dispositivo misuratore di tipo noto appena descritto non è però esente da limiti ed inconvenienti.

Innanzitutto, detta tipologia di dispositivo, fornisce unicamente misura del diametro del tubo rilevato in corrispondenza dei punti di contatto tra il tubo ed i rulli del misuratore, senza fornire informazioni ulteriori sulla restante geometria del tubo in quanto si misura in definitiva il solo diametro “orizzontale” a meno di non inserire altri rulli non disposti verticalmente, ma con evidente complicazione del dispositivo ed aggravio economico. Se poi il misuratore è utilizzato su linee che producono tubi di diametro e/o spessori elevati, per essi l’effetto di deviazione dalla forma nominale cilindrica verso una forma a sezione ellittica in conseguenza del peso proprio (come precedentemente descritto) e/o della scarsa rigidezza circonferenziale, può risultare particolarmente accentuato.

A seguito di tale deformazione consegue perciò una lettura errata da parte del dispositivo misuratore che segnala la presenza di un tubo di un certo diametro quando invece, magari, si tratta di un tubo di diametro nominale differente ma deformatosi ellitticamente.

Con l’espressione misurazione dell’ingombro della sezione trasversale, si intende, nella presente trattazione, sia il rilevamento della effettiva conformazione della sezione trasversale (intendendo con ciò una qualsiasi sezione del tubo perpendicolare alla sua direzione di sviluppo e avanzamento lungo la linea), sia la misurazione numerica vera e propria di tale sezione.

Infatti, come appena sopra spiegato, il tubo estruso non necessariamente presenta forma perfettamente cilindrica, ma in virtù di tipiche deformazioni connesse alla propria natura assume più genericamente conformazione a sezione ellittica, potendo comunque la forma di sezione circolare essere individuata come una particolare forma di sezione ellittica.

In generale, come detto, la deviazione dalla forma nominale cilindrica sarà tanto maggiore quanto maggiori risultano diametro e spessore del tubo e quindi il corrispondente peso del tubo stesso per unità di lunghezza.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo ed un dispositivo di misurazione dell’ingombro della sezione trasversale di tubi in materiale termoplastico che siano esenti dagli inconvenienti della tecnica nota.

Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo di misurazione dell’ingombro della sezione trasversale di tubi che risulti efficace e di pratica e semplice attuazione.

Ancora un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo di misurazione dell’ingombro della sezione trasversale di tubi che sia di semplice ed economica realizzazione e di pratico utilizzo.

Questi scopi ed altri ancora, che meglio appariranno nel corso della descrizione che segue, sono raggiunti, in accordo con la presente invenzione, da un metodo ed un dispositivo di misurazione comprendenti le caratteristiche tecniche esposte in una o più delle rivendicazioni annesse.

Le caratteristiche tecniche dell’invenzione, secondo i suddetti scopi, sono chiaramente riscontrabili dal contenuto delle rivendicazioni sotto riportate, ed i vantaggi della stessa risulteranno maggiormente evidenti nella descrizione dettagliata che segue, fatta con riferimento alla figura allegata che rappresenta, in una vista schematica, una modalità di attuazione dell’invenzione secondo una sua preferita forma realizzativa.

Secondo quanto illustrato nell’allegata figura, con il numero 1 di riferimento è indicato nel suo complesso un dispositivo di misurazione dell’ingombro della sezione trasversale di tubi T in materiale termoplastico ad un dato istante t del processo di estrusione in atto.

Con riferimento alla figura allegata, un piano cartesiano OXY di assi X, Y è disposto perpendicolare ad una direzione D1 di avanzamento di un tubo T estruso in materiale termoplastico.

La sezione del tubo T che all’istante t giace sul piano OXY è pertanto rappresentata in figura con forma ellittica in quanto l’ellisse, in virtù delle possibili deformazioni cui è sottoposto nella linea di estrusione (per peso proprio o eventuali azioni meccaniche indotte da rulli di contenimento e/o supporto), è da considerarsi la forma più plausibile che il tubo estruso possa assumere.

La direzione D1 è perpendicolare al piano di figura e, per semplicità, è stata indicata nell’origine O del piano cartesiano OXY.

Le suddette deformazioni cui è sottoposto il tubo T estruso in materiale termoplastico sono principalmente dovute all’effetto della forza peso e, in virtù del fatto che la forza peso ha andamento verticale, l’ellisse che descrive, approssimandola, la sezione del tubo reale (cioè deformato) avrà ragionevolmente i propri semiassi rispettivamente l’uno parallelo e l’altro perpendicolare alla verticale.

Alla luce di questo, il piano cartesiano è stato orientato in modo da presentare il proprio asse Y delle ordinate parallelo alla verticale.

In questo modo, qualsiasi sia la deformazione da forma circolare a forma ellittica, l’ellisse definente la sezione trasversale del tubo T all’istante t giacente sul piano cartesiano OXY, avrà i suoi semiassi comunque paralleli ai due assi X, Y del piano cartesiano OXY stesso.

Sempre con riferimento alla figura allegata, quattro sensori ottici S1, S2, S3, S4 sono disposti lungo semirette aventi origine nell’origine O del piano cartesiano OXY e giacenti sul piano stesso.

I sensori ottici S1, S2, S3, S4 sono vantaggiosamente di tipo laser.

I sensori ottici S1, S2, S3, S4 sono configurati ed orientati in modo tale da effettuare le proprie misurazioni lungo le corrispondenti semirette, individuando le rispettive distanze d1, d2, d3, d4 alle quali si trovano i punti A, B, C, D di intersezione della superficie esterna del tubo T con ciascuna semiretta all’istante t.

Per ciascun sensore ottico S1, S2, S3, S4, nota la posizione sorgente attraverso le rispettive coordinate di posizionamento (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3), (x4, y4) nel piano cartesiano OXY (non sovrapposte) ed acquisite le rispettive distanze d1, d2, d3, d4 (misurate dagli stessi sensori), ne derivano di conseguenza le coordinate (xA, yA), (xB, yB), (xC, yC), (xD, yD) dei quattro punti A, B, C, D nel piano OXY.

Le citate semirette definiscono rispettivi angoli α1, α2, α3, α4 con l’asse X delle ascisse del piano cartesiano.

Le citate semirette giacciono ciascuna preferibilmente ma non necessariamente su un rispettivo diverso quadrante del piano cartesiano OXY.

In generale, ai fini dell’esistenza di soluzioni coerenti del sistema di equazioni che più avanti sarà illustrato, al più tre di tali semirette possono essere bisettrici dei quadranti del piano OXY.

Quella appena enunciata costituisce una condizione il cui soddisfacimento è necessario per consentire la risoluzione del citato sistema di equazioni. In termini più generali, i citati angoli α1, α2, α3, α4 sono quindi tra loro distinti con al più tre di essi pari a 45°+k·90° con k=0,1,2,3 misurando gli angoli in senso antiorario a partire dall’asse X positivo del piano cartesiano OXY.

Con riferimento esemplificativo al caso illustrato in figura, misurando sempre gli angoli in senso antiorario a partire dall’asse X positivo, si è scelto α1=45°, α2=145°, α3=220°, α4=330°.

Vantaggiosamente i sensori ottici S1, S2, S3, S4 sono poi disposti lungo una circonferenza Cs il cui centro è posto nell’origine O del piano cartesiano OXY.

In questo modo la distanza di ciascun sensore S1, S2, S3, S4 ottico dall’origine O del piano cartesiano è la medesima.

I citati sensori ottici S1, S2, S3, S4 definiscono, per il dispositivo 1 di misurazione, rispettivi mezzi di rilevamento della posizione, su un piano cartesiano, dei quattro punti A, B, C, D individuati sulla superficie esterna del tubo T.

Secondo varianti realizzative dell’invenzione non ulteriormente descritte, i citati mezzi di rilevamento della posizione comprendono sensori di diversa natura quali ad esempio sensori a ultrasuoni.

Il dispositivo 1 comprende inoltre, non illustrata, un’unità di elaborazione configurata per calcolare l’equazione dell’ellisse giacente sul piano OXY e passante per i quattro punti distinti A, B, C, D (la cui posizione è individuata dai sensori ottici S1, S2, S3, S4), con i semiassi paralleli ad i rispettivi assi cartesiani del piano OXY.

Calcolata così l’equazione dell’ellisse, l’unità di elaborazione ricava poi le coordinate del suo centro nel piano cartesiano OXY ed i valori dei semiassi a e b dell’ellisse stessa e da essi il diametro medio e la relativa eccentricità.

Stimando, come detto, che la forma più plausibile che il tubo T estruso può assumere sia quella a sezione ellittica, si consideri allora l’equazione generica di un’ellisse semplicemente traslata nel piano:

ove si indicano con E(α, β) il centro dell’ellisse e con a e b i semiassi maggiore e minore rispettivamente, paralleli agli assi del piano OXY stesso.

Posto:

è possibile riscrivere l’equazione nel modo seguente:

che equivale a:

Con riferimento alla figura, poniamo i quattro sensori S1, S2, S3, S4 sulla circonferenza Cs di centro O e raggio R in modo tale che i rispettivi angoli α1, α2, α3, α4 formati dalle semirette con l’asse positivo delle ascisse X siano tra loro distinti e rispettino la sopra citata condizione necessaria. Il raggio R della circonferenza Cs è tale da contenere il massimo diametro nominale del tubo T che può essere estruso nella linea su cui il dispositivo 1 di misurazione è installato.

Nello specifico esempio illustrato, quindi, α1 ≠ α2 ≠ α3 ≠ α4 con solo α1 nella forma 45°+k·90°, con k=0.

Indicando come detto con A, B, C, D i quattro punti distinti di rilevamento sulla superficie esterna del tubo, ovverosia i punti individuati dai sensori ottici S1, S2, S3, S4 e la cui distanza dai sensori stessi è stata da essi misurata, essi sono così definiti:

Per determinare le quattro incognite α, β, p, q imponiamo che l’ellisse passi per i quattro punti A, B, C, D, ottenendo così il seguente sistema s1:

Sottraendo l’equazione (2) dalla (1) si ha:

da cui, dopo brevi passaggi:

Posto ora:

si ottiene:

Procedendo analogamente, sottraiamo l’equazione (3) dalla (1) e l’equazione (4) dalla (1) ed otteniamo il seguente sistema:

Il sistema sopra riportato permette di esprimere p, q, e u, e, conseguentemente, anche α e β, in funzione di v.

Sostituendo i valori ricavati in una qualunque delle equazioni del sistema s1, si possono determinare v e quindi i valori di p, q, α e β.

In questo modo, medianti semplici operazioni compiute dalla citata e non illustrata unità di elaborazione, si ricavano tutti i valori caratteristici dell’ellisse che approssima la forma del tubo T in sezione all’istante generico t, ovverosia, principalmente i valori dei semiassi a, b rispettivamente maggiore e minore.

Dai valori dei semiassi l’unità di elaborazione è configurata per ricavare il diametro medio del tubo T come (a+b)/2 e la relativa eccentricità intesa come massima deviazione tra il diametro nominale Dn che il tubo in estrusione dovrebbe avere ed il massimo tra i valori assoluti delle due differenze [Dn-a] e [Dn-b].

Mediante il metodo ed il dispositivo secondo la presente invenzione è pertanto possibile stimare in modo continuo sia l’ingombro del tubo T (in termini di diametro medio) sia la sua deformazione rispetto alla ideale circonferenza, consentendo quindi di informare le macchine a valle dell’estrusore in modo preciso circa lo stato di variazione in atto del tubo prodotto nelle linee che lo richiedano, oltre a permettere di conoscere puntualmente se e con che entità il tubo sta deviando dalla forma teorica cilindrica attesa.

Un vantaggio connesso alla presente invenzione è dato poi dal fatto che risulta irrilevante, ai fini della valutazione della sezione del tubo T, la circostanza che il centro E dell’ellisse, e quindi del tubo T stesso, possa non giacere sulla direzione D1 passante per l’origine O del piano cartesiano OXY.

In altri termini l’asse del dispositivo (rappresentato dalla perpendicolare al piano OXY passante per O) può non essere perfettamente centrato sull’asse del tubo T in transito, senza che ciò infici la corretta determinazione dell’ellisse che approssima la sezione del tubo T stesso, a differenza dei dispositivi usuali che richiedono, per una corretta misura, un ottimo allineamento tra asse del tubo T ed asse del dispositivo.

Varianti realizzative della presente invenzione, sebbene meno vantaggiose di quanto sopra descritto, possono prevedere, quali mezzi di rilevamento della posizione, tastatori meccanici in contatto fisico con la superficie del tubo T in transito e la cui posizione relativa è misurata con potenziometri od encoder, lineari o rotativi.

Secondo una variante realizzativa non illustrata della presente invenzione, è prevista la presenza di più di quattro sensori rilevatori di distanza. In particolare, ad esempio la presenza di cinque sensori consente l’individuazione di un’ellisse nel piano cartesiano OXY anche quando questa non presenta i propri semiassi paralleli agli assi del piano cartesiano.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di misurazione dell’ingombro della sezione trasversale di un tubo (T) in materiale termoplastico avanzato lungo una direzione (D1) rettilinea, comprendente le fasi di: - definire un piano cartesiano (OXY) avente la propria origine (O) all’interno della sezione trasversale del tubo (T) da misurare ed essendo sostanzialmente perpendicolare a detta direzione (D1) rettilinea di avanzamento del tubo (T), - predisporre esternamente a detto tubo (T) quattro sensori (S1, S2, S3, S4) rilevatori di distanza lungo rispettive semirette originantisi da detta origine (O) di detto piano cartesiano (OXY), ciascuna di dette semirette formando, con l’asse (X) delle ascisse di detto piano cartesiano (OXY), rispettivi angoli (α1, α2, α3, α4) tra loro distinti, - rilevare la distanza (d1, d2, d3, d4) di ciascuno di detti sensori (S1, S2, S3, S4) dalla superficie esterna del tubo (T), detta distanza (d1, d2, d3, d4) essendo misurata lungo dette semirette per definire le coordinate su detto piano cartesiano (OXY) dei punti (A, B, C, D) di intersezione di dette semirette con la superficie esterna di detto tubo (T), - calcolare l’equazione dell’ellisse passante per detti punti (A, B, C, D) di intersezione, con ciò definendo la forma e la posizione del tubo (T) relativamente a detti sensori (S1, S2, S3, S4) e al piano cartesiano (OXY).
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fase di predisporre detti sensori (S1, S2, S3, S4) lungo rispettive semirette comprende la fase di selezionare dette semirette in modo che sia rispettata la condizione per cui al più tre di dette semirette costituiscano le bisettrici di rispettivi quadranti di detto piano cartesiano (OXY).
3. 3. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che detta fase di predisporre detti sensori (S1, S2, S3, S4) comprende la fase di disporre detti sensori (S1, S2, S3, S4) lungo una circonferenza (Cs) avente centro in detta origine (O) di detto piano cartesiano (OXY).
4. 4. Dispositivo di misurazione dell’ingombro della sezione trasversale di tubi in materiale termoplastico avanzati lungo una direzione (D1) rettilinea, comprendente: - mezzi di rilevamento della posizione, su un piano (OXY) cartesiano, di quattro punti (A, B, C, D) individuati sulla superficie esterna di detto tubo (T), detti punti (A, B, C, D) essendo fra loro distinti e giacendo su quattro rispettive semirette originantisi nell’origine (O) di detto piano cartesiano (OXY), - un’unità di elaborazione configurata per calcolare l’equazione dell’ellisse passante per detti quattro punti (A, B, C, D) la cui posizione è individuata da detti mezzi di rilevamento.
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di rilevamento della posizione comprendono quattro sensori (S1, S2, S3, S4) rilevatori di distanza disposti esternamente al tubo (T) lungo dette semirette originantisi da detta origine (O) di detto piano cartesiano (OXY).
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti sensori (S1, S2, S3, S4) rilevatori di distanza sono sensori ottici.
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti sensori (S1, S2, S3, S4) rilevatori di distanza sono sensori ad ultrasuoni.
8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 7, caratterizzato dal fatto che dette semirette sono tali da rispettare la condizione per cui al più tre di dette semirette costituiscono le bisettrici di rispettivi quadranti di detto piano cartesiano (OXY).