IT201900015734A1

IT201900015734A1 - Alimentatore vibrante di articoli e procedimento di stima della vita residua dell’elettromagnete di un alimentatore vibrante di articoli.

Info

Publication number: IT201900015734A1
Application number: IT102019000015734A
Authority: IT
Inventors: Paolo Reolfi; Daniele Icardi; Cinquanta Simone Tagliero
Original assignee: Brovind Vibratori S P A
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2019-12-06
Also published as: EP4025923A1; US20220291303A1; WO2021044451A1

Description

Descrizione dell’Invenzione Industriale avente per titolo:

“ALIMENTATORE VIBRANTE DI ARTICOLI E PROCEDIMENTO DI STIMA DELLA VITA RESIDUA DELL’ELETTROMAGNETE DI UN ALIMENTATORE VIBRANTE DI ARTICOLI”

DESCRIZIONE

Campo di Applicazione

La presente invenzione si riferisce ad un alimentatore vibrante di articoli e ad un procedimento di stima della vita residua dell’elettromagnete di un alimentatore vibrante di articoli.

In generale, la presente invenzione si riferisce a monitoraggio e rilevamento degli errori, mezzi di controllo, unità di visualizzazione, regolamentazione o controllo, disposizioni per condizionare o analizzare segnali misurati, ad es. per indicare i valori di picco, dettagli relativi al campionamento, alla digitalizzazione o alla cattura della forma d'onda, test di cortocircuiti, indicazione che la corrente o la tensione è al di sopra o al di sotto di un valore predeterminato o all'interno o all'esterno di un intervallo di valori prestabilito caratterizzato dall'applicazione in corrente alternata o continua di tensione o corrente in alimentazioni CA, disposizioni per misurare la potenza elettrica o il fattore di potenza misurando la corrente e la tensione.

In particolare, la presente invenzione si riferisce a test di indotto o avvolgimenti di campo, disposizioni per il monitoraggio dei sistemi di energia elettrica, ad es. linee elettriche o carichi, registrazione, collaudo di apparati elettrici, linee o componenti, per cortocircuiti, discontinuità, dispersione di corrente o errata connessione di linea, test di cortocircuiti, perdite o guasti a terra, misurazione dei valori effettivi, ovvero valori quadratici medi, misurazione dei valori di picco o ampiezza o inviluppo di CA o di impulsi, fattore di potenza di misurazione, test delle macchine dinamo-elettriche in funzione, prova o monitoraggio elettrico mediante un sistema di monitoraggio in grado di rilevare e rispondere a guasti caratterizzati dal metodo di rilevamento di guasti iniettando segnali di prova e analizzando la risposta di processo monitorata, ad es. iniettare il segnale di test mentre si interrompe il normale funzionamento del sistema monitorato, sovrapposizione del segnale di test a un segnale di controllo durante il normale funzionamento del sistema monitorato.

Fin dalla prima applicazione dei sistemi di alimentazione basati su azionamenti vibranti, si è reso necessario l’utilizzo di dispositivi di comando elettronici in grado di trasformare la tensione di rete elettrica in un opportuno segnale sinusoidale in grado di comandare opportunamente l’apparecchio in funzione della frequenza di risonanza meccanica desiderata e della potenza da erogare, in modo da ottenere la velocità di spostamento desiderata dei particolari all’interno dei contenitori preposti.

Col passare del tempo, tali dispositivi elettronici oltre a svolgere le funzioni di comando hanno cominciato a svolgere analogamente funzioni di comunicazione, lettura di segnali da sensori esterni e/o invio dei propri parametri di funzionamento ad unità centrali quali, per esempio, PLC, e di controllo al fine di monitorare l’efficienza del sistema stesso e poter verificare lo stato di funzionamento delle unità vibranti.

Storicamente, tale feedback deriva da un opportuno sensore/trasduttore, un accelerometro con lo scopo principale di uniformare e comandare ad anello chiuso il segnale di comando dato all’azionamento vibrante. Viene pertanto a mancare un tassello importante al corretto monitoraggio di un tale sistema di alimentazione, ovvero la diagnostica.

Il cuore principale di un azionamento vibrante è infatti la bobina magnetica sottoposta al suo interno ad un opportuno segnale di comando, per esempio, sinusoidale ricostruito attraverso PWM, per poter attrarre a sé un indotto; tale attrazione/rilascio periodico, attraverso degli opportuni elementi elastici opportunamente dimensionati e posizionati, genera un movimento oscillatorio che consente ai particolari di avanzare.

Allo stato attuale, le diverse sollecitazioni subite da una bobina attraversata da una corrente sono sconosciute; in funzione dei dati di etichetta forniti dal produttore delle bobine, i sistemi di controllo elettronici possono essere opportunamente parametrizzati in modo da non operare fuori dalla curva di lavoro fornita, ma durante l’applicazione reale è sempre possibile, anche solo per alcuni minuti, superare tali soglie senza volerlo e soprattutto senza averne alcun ritorno in merito, andando così ad intaccare il ciclovita ideale delle bobine col rischio di un cortocircuito.

Esiste poi sempre la discrepanza tra i valori ideali dichiarati di una bobina ed eventuali difetti nel processo di fabbricazione che comportano un ciclo vita ben diverso delle bobine.

Stato della Tecnica

Il brevetto US 4,350,243 A riguarda un apparato di distribuzione di materiale comprendente una struttura di azionamento di una tazza di alimentazione con un circuito di controllo dell'azionamento con un trasduttore di rilevamento dell'ampiezza di effetto Hall per monitorare l'entità delle vibrazioni della tazza ed un circuito di frenatura per controllare lo smorzamento del movimento vibratorio dopo che la quantità richiesta di materiale è stata alimentata dalla tazza di alimentazione. Il circuito comprende un trasduttore di effetto Hall, un amplificatore differenziale, un comparatore, ed un circuito di integrazione. Il trasduttore di effetto Hall ha due uscite collegate all'amplificatore differenziale. La differenza di tensione tra le due uscite di effetto Hall è proporzionale a un prodotto di una corrente di controllo che fluisce attraverso il dispositivo e ad una componente di campo magnetico normale ad una regione attiva sul trasduttore effetto Hall. Poiché l'uscita dal dispositivo Hall dipende da due variabili, può essere utilizzata sia come controllo di velocità che come dispositivo di rilevamento dell'ampiezza. La corrente attraverso il dispositivo Hall viene modificata per influenzare un controllo della velocità e montata sull'alimentatore vibratorio in stretta prossimità di un magnete per ottenere una capacità di rilevamento dell'ampiezza.

Il brevetto US 9,496,926 B2 riguarda un isolatore galvanico con uno stadio di ingresso configurato per trasmettere un segnale RF in risposta a un segnale modulato in ingresso. L'isolamento galvanico è un principio di isolamento di sezioni funzionali di sistemi elettrici per impedire il flusso di corrente in modo tale che non sia consentito alcun percorso di conduzione metallico. Energia e/o informazioni possono ancora essere scambiate tra le sezioni con altre tecniche, come capacità, induzione o onde elettromagnetiche, o con tecniche ottiche, acustiche o meccaniche. L'isolamento galvanico può essere utilizzato quando due o più circuiti elettrici a potenziali diversi devono comunicare. L'isolamento galvanico può essere un metodo efficace per interrompere i loop di massa, impedendo che la corrente indesiderata possa fluire tra due unità che condividono un conduttore di terra. L'isolamento galvanico può anche essere impiegato per la sicurezza, come impedire che la corrente accidentale raggiunga la terra attraverso il corpo di una persona.

Il brevetto US 9,886,835 B2 riguarda un metodo per stimare una durata residua di una bobina di un solenoide di un controllore di valvola operante in un sistema di controllo di processo, il metodo comprendente le fasi di registrazione di una durata di attivazione della bobina del solenoide durante il funzionamento della bobina del solenoide, determinazione di una temperatura operativa della bobina del solenoide, stima della durata residua della bobina del solenoide in base alla durata dell'attivazione della bobina del solenoide e alla temperatura operativa della bobina del solenoide.

Il metodo include il mantenimento di una registrazione di una durata di attivazione della bobina del solenoide, la determinazione di una temperatura operativa della bobina del solenoide, la generazione di una stima della durata residua della bobina del solenoide in base alla durata dell'attivazione della bobina del solenoide e alla temperatura operativa della bobina del solenoide. Il metodo può inoltre comprendere, in qualsiasi combinazione, il mantenimento della registrazione della durata di attivazione della bobina del solenoide comprendente la memorizzazione di un valore della durata di attivazione della bobina del solenoide, l'avvio di un timer quando la bobina del solenoide è attivata e l'incremento del valore della durata di attivazione della bobina del solenoide basata sul timer.

La determinazione della temperatura operativa della bobina del solenoide comprende l'ottenimento di una misurazione della temperatura operativa della bobina del solenoide con un sensore di temperatura, la stima della durata residua della bobina del solenoide consiste nel determinare, in base alla temperatura operativa, una durata media prevista di un isolamento della bobina del solenoide, una durata residua della bobina del solenoide sottraendo la durata di attivazione della bobina del solenoide dalla durata media prevista dell'isolamento della bobina del solenoide.

Il confronto della stima della durata residua della bobina del solenoide rispetto ad un valore di soglia permette di generare un'indicazione di allarme.

La determinazione della temperatura operativa della bobina del solenoide e della stima della durata residua della bobina del solenoide viene eseguita periodicamente durante il funzionamento della bobina del solenoide.

Il rilevamento di un guasto imminente della bobina del solenoide e la generazione di un'indicazione di allarme in risposta alla rilevazione dell'imminente guasto della bobina del solenoide si basa sulla misurazione di un assorbimento di corrente della bobina del solenoide, compresa la corrente di spunto, tramite un modulo elettronico.

Presentazione dell’invenzione

Il brevetto US 9,886,835 B2 offre lo spunto per stimare una durata residua di una bobina di un solenoide risolvendo alcuni limiti e problemi come, per esempio, poter determinare un margine residuo prima della saturazione magnetica della bobina ed un opportuno traferro.

Scopo della presente invenzione è quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore fornendo un alimentatore ed un procedimento alternativi a quanto noto nella tecnica per stimare la vita utile di una bobina di un alimentatore vibrante di articoli.

Un ulteriore scopo è quello di fornire alimentatore ed un procedimento che consentano di creare un database con le informazioni di grandezze magnetiche al fine di ottimizzare le condizioni di funzionamento e di taratura di un alimentatore vibrante di articoli.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un alimentatore vibrante di articoli ed un procedimento di stima della vita residua dell’elettromagnete di un alimentatore vibrante di articoli come descritto nelle rivendicazioni principali. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l’oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.

Risulterà immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalità equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.

Descrizione dei disegni

La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la FIG. 1 mostra un modello concettuale di un primo schema funzionale di una realizzazione dell’alimentatore vibrante di articoli e del procedimento di stima della vita residua dell’elettromagnete di un alimentatore vibrante di articoli secondo la presente invenzione;

- la FIG. 2 mostra un modello fisico della figura precedente;

- la FIG. 3 mostra un modello concettuale di un secondo schema funzionale di una realizzazione dell’alimentatore vibrante di articoli e del procedimento di stima della vita residua dell’elettromagnete di un alimentatore vibrante di articoli secondo la presente invenzione;

- la FIG. 4 mostra un primo modello funzionale della figura precedente; e

- la FIG. 5 mostra un secondo modello funzionale della FIG. 3.

Descrizione di forme di realizzazione

Facendo riferimento alle figure, è possibile notare che un alimentatore vibrante di articoli comprende almeno un elettromagnete comandato tramite un circuito di controllo per far vibrare in frequenza almeno un elemento dell’alimentatore. Il circuito di controllo può essere del tipo a canale fisso o multiplo, a frequenza fissa o variabile. In particolare, il circuito di controllo comprende un sensore a effetto Hall, un amplificatore differenziale, un comparatore, ed un circuito di integrazione per il controllo di velocità e spostamento dell’elemento dell’alimentatore.

Vantaggiosamente, il circuito di controllo comprende uno stadio dedicato atto a mantenere una separazione galvanica tra una parte ad alta tensione dove fluisce corrente elettrica misurata ed una parte a bassa tensione di un segnale elaborato per misurare, istante per istante, la corrente assorbita e la tensione di funzionamento dell’elettromagnete.

La presente invenzione riguarda inoltre un procedimento di stima della vita residua di almeno un elettromagnete di un alimentatore vibrante di articoli comprende le fasi seguenti:

- monitorare costantemente l’andamento della forma d’onda della corrente I assorbita e della tensione V di funzionamento per calcolare un valore di resistenza ohmica dell’elettromagnete, da confrontare con un valore di riferimento;

- determinare un margine residuo prima della saturazione magnetica dell’elettromagnete;

- determinare un opportuno traferro;

- confrontare la misura della densità di un flusso magnetico Bm rispetto ad un valore limite di saturazione di riferimento Bsat dell’elettromagnete, tramite un valore dell’induttanza L sulla base dell’acquisizione del valore di corrente I assorbita;

- verificare una situazione operativa efficiente dell’alimentatore vibrante tramite la condizione

.

Il procedimento secondo la presente invenzione comprende inoltre le fasi seguenti per ricavare un valore dell’induttanza L sulla base dell’acquisizione del valore di corrente I assorbita:

- campionamento di un segnale elettrico di corrente I0 con un periodo Tk;

- calcolo dell’induttanza L data dal rapporto tra l’integrale della tensione di alimentazione, ViTk, e l’ampiezza di un campione di corrente ITk, l’integrale della tensione di alimentazione ViTk calcolato tra l’inizio della misura, t=0, e l’istante a cui è riferito il campionamento, t=t0, con t0ϵTk, l’ampiezza del campione di corrente ITk riferita all’istante t=t0, con t0ϵTk, l’induttanza L definita puntualmente e, partendo da un valore costante L0, corrispondente al traferro impostato manualmente, atta a variare tra un valore minimo Lmin, a traferro massimo, ed un valore massimo Lmax, a traferro minimo, durante la normale oscillazione armonica dell’elettromagnete nell’alimentatore vibrante.

Alternativamente, facendo riferimento alle FIGG.

4, 5, è possibile notare che il valore dell’induttanza L sulla base dell’acquisizione del valore di corrente I assorbita può essere ottenuto mediante la fase seguente del procedimento secondo la presente invenzione:

- calcolo dell’induttanza media KLT in un periodo T data dal rapporto tra l’integrale della tensione di alimentazione ViT e l’intensità di corrente IT, la tensione di alimentazione Vi costante, se applicata in ingresso ad un modulatore di larghezza di impulso A-B, di un circuito che presenti un PWM, che impieghi IGBT, la tensione di alimentazione Vi variabile, se applicata in ingresso ad un parzializzatore di fase C-D, che impieghi TRIAC, distinguendo tra l’intensità di corrente fornita dalla rete elettrica alla bobina dell’elettromagnete, IA oppure IC, e l’intensità di corrente rilasciata dalla bobina nell’elettromagnete alla rete elettrica, IB oppure ID, distinguendo tra la quantità di carica elettrica fornita dalla rete elettrica alla bobina nell’elettromagnete, QA oppure QC, integrando il segnale di corrente, IA oppure IC, nel semiperiodo [0;T/2] e la quantità di carica elettrica rilasciata nell’elettromagnete alla rete elettrica, QB oppure QD, integrando il segnale di corrente, IB oppure ID, nel semiperiodo [T/2;T], la differenza tra le due quantità di carica elettrica così calcolate, Q=QA-QB oppure Q=Qc-QD, essendo responsabile del movimento effettivo dell’unità vibrante e generatrice di perdite meccaniche e magnetiche, l’intensità di corrente IT responsabile del movimento effettivo dell’unità vibrante e generatrice di perdite meccaniche e magnetiche, ottenuta con un’operazione di derivazione nel periodo T della quantità di carica elettrica effettiva Q.

Da un punto di vista operativo, il procedimento secondo la presente invenzione comprende le fasi seguenti:

a) avviamento dell’alimentatore;

b) controllo automatico in retroazione negativa dell’andamento della forma d’onda della corrente I assorbita;

c) in caso di anomalia segnalata dal raggiungimento ed eventuale superamento di un valore di soglia, per cui il margine residuo prima della saturazione magnetica dell’elettromagnete non è rispettato, arresto dell’alimentatore;

d) controllo della distanza del traferro;

e) riavviamento dell’alimentatore;

f) controllo automatico in retroazione negativa dell’andamento della forma d’onda della corrente I assorbita;

g) in caso di anomalia segnalata dal raggiungimento ed eventuale superamento di un valore di soglia, per cui il margine residuo prima della saturazione magnetica dell’elettromagnete non è rispettato, arresto dell’alimentatore;

h) sostituzione del corpo bobina;

i) riavviamento dell’alimentatore;

j) controllo automatico in retroazione negativa dell’andamento della forma d’onda della corrente I assorbita;

k) in caso di funzionamento efficiente, individuazione della corrispondenza tra la potenza elettrica in gioco e l’indicazione sulla densità con cui il flusso magnetico si distribuisce nel percorso magnetico all’interno dell’elettromagnete, in relazione al consumo della corrente I assorbita;

l) controllo di tutte le attività di diagnostica previste, come integrazione delle procedure di diagnostica elettromagnetica e di monitoraggio dei parametri meccanici, accelerazione canale e frequenza operativa, per consentire all’operatore di impostare la normale variazione del parametro di accelerazione a0.

Il procedimento secondo la presente invenzione può anche prevedere un controllo in retroazione negativa per mantenere un parametro di accelerazione aS rispetto al parametro di accelerazione a0 viene impostato manualmente, sino all’emissione dell’opportuna segnalazione di allarme, al raggiungimento della condizione di saturazione magnetica dell’elettromagnete.

Vantaggiosamente, il procedimento secondo la presente invenzione può essere svolto senza sensori o altri mezzi di rilevazione diretta del flusso magnetico di campo o del valore di accelerazione a cui è sottoposto l’alimentatore vibrante. Nella fattispecie il procedimento viene svolto attraverso elaborazione numerica di un microprocessore o mediante circuito elettronico a componenti discreti.

Alternativamente, il procedimento secondo la presente invenzione può essere svolto utilizzando sensori o altri mezzi di rilevazione come sonde ad effetto Hall, in grado di misurare direttamente il flusso di campo magnetico e quindi consentendo di ottenere un confronto tra Bm e Bsat, accelerometri in grado di misurare direttamente il valore di accelerazione a cui è sottoposto l’alimentatore vibrante attraverso il quale è possibile ricavarne L stessa, sensore adibito alla misura dello spostamento dei componenti in movimento dell’alimentatore vibrante, una misura istantanea ed una misura media sul periodo di I.

La presente invenzione riguarda inoltre un programma di computer comprendente mezzi di codice di programma di computer atti ad eseguire tutte o parte delle fasi del procedimento, in caso di programma eseguito su qualunque sistema di controllo per vibroalimentatori, quale un controllore dedicato, un pannello operatore, un PLC, un computer o qualunque mezzo idoneo a implementare tale programma. Il programma di computer è contenuto su un supporto leggibile da un qualunque sistema di controllo per vibroalimentatori, quale un controllore dedicato, un pannello operatore, un PLC, un computer o qualunque mezzo idoneo a implementare tale programma.

Esempi

L’innovazione qui presentata consiste quindi nella implementazione di un sensore interno al sistema di controllo in grado di monitorare in tempo reale i diversi parametri inerenti il passaggio di una corrente elettrica all’interno nella bobina, ovvero corrente (Ampere), resistenza (Ohm), induttanza (Henry), saturazione magnetica (Tesla). Un monitoraggio contemporaneo di questi quattro parametri consente non solo di ottimizzare il punto di funzionamento della bobina a seconda dell’applicazione in cui essa viene usata, ma anche e soprattutto di monitorare le condizioni di utilizzo in modo da prevenire guasti dovuti a sollecitazioni eccessive e pianificare opportunamente e preventivamente una eventuale sostituzione della bobina prima della rottura irreversibile.

Da un punto di vista operativo, la lettura diretta è quella del valore di corrente che fluisce istante per istante nella bobina, realizzata mediante un opportuno stadio dedicato. Questo stadio misura la corrente assorbita dal carico attraverso un sensore effetto hall, mantenendo la separazione galvanica fra la parte ad alta tensione dove fluisce la corrente da misurare e la parte a bassa tensione dove viene elaborato il segnale misurato, in modo tale da consentire il collegamento del microprocessore.

La misura fornisce una serie di parametri che permettono al sistema di monitorare costantemente l’andamento della forma d’onda, rilevare un eventuale sovracorrente e calcolare il valore RMS della corrente assorbita.

L’estrema rapidità di risposta della sezione di misura combinata con un’esperta gestione a microprocessore costruisce una robusta protezione verso cortocircuiti o sovra-assorbimenti sul carico limitando possibili danni.

La tecnologia utilizzata permette di applicare efficaci contromisure alla nota suscettibilità ai campi magnetici esterni, intrinseca alle misure basate sull’effetto Hall. La misura è insensibile ad eventuali cavi di potenza che accidentalmente si trovino nelle adiacenze del controller in quanto il sensore usato usa una architettura idonea allo scopo.

Gli altri parametri operativi sarebbero dedotti in maniera indiretta o per mezzo di interpolazioni con altre grandezze. La tensione di funzionamento permetterebbe di ricavare il valore di resistenza ohmica della bobina o per mezzo di calcoli in tempo reale effettuati dal microprocessore del controller secondo opportune formule fisiche e tabelle di riferimento di correzione opportunamente memorizzate.

La correlazione tra le diverse grandezze consentirebbe, come già detto, di trovare il punto di funzionamento ottimale del sistema istante per istante e di monitorarne i parametri vitali secondo questi principi.

La correlazione tra la tensione di alimentazione e la corrente erogata fornisce il valore di resistenza ohmica della bobina; tale valore, confrontato istante per istante con quello dichiarato dal produttore, fornisce un indice del consumo della bobina, quindi del suo ciclo-vita restante. Il continuo passaggio di corrente infatti, specie se eccessivo rispetto al reale bisogno, causa una degenerazione del conduttore in rame, fino a provocare locali fusioni del conduttore le quali possono provocare cortocircuiti negli avvolgimenti della bobina. Tali cortocircuiti riducono di conseguenza il numero di spire utili della bobina stessa e di conseguenza, in maniera più o meno evidente, le prestazioni. Pertanto, tale parametro di resistenza ohmica è un primo indice dello stato di usura della bobina.

Il parametro più importante, a cui viene dedicata la lettura diretta, è come detto il valore di corrente erogata. Come detto sopra, essa permette di ricavare il valore di resistenza ohmica, ma consente anche di dedurre un altro importante parametro operativo quale il valore di saturazione magnetica. Tale parametro infatti fornisce una lettura dell’efficienza di utilizzo della bobina; più tale parametro misurato in Tesla è vicino al valore di saturazione per il sistema magnetico complessivo bobina-indotto, minore è l’influenza che un aumento di corrente ha sulle prestazioni della bobina. Questo vuol dire che al raggiungimento della saturazione magnetica, la bobina non è più in grado di erogare maggiore spinta ai particolari alimentati in caso di un ulteriore margine di potenza erogata dal segnale di comando. Pertanto, una lettura di tale parametro consente una duplice interpretazione: conoscere l’efficienza di lavoro della bobina, quindi l’eventuale margine residuo prima della saturazione per aumentare le prestazioni del sistema; evitare inutili danneggiamenti della bobina erogando inutilmente ulteriore corrente al raggiungimento della saturazione, preservando così la bobina stessa ed evitando fusioni e quindi cortocircuiti.

L’ultimo parametro di funzionamento ricavabile dalla lettura diretta della corrente è quello di induzione magnetica del sistema bobina-indotto. Tale parametro, misurato in Henry, consente di ricavare l’opportuno traferro tra la bobina e l’indotto facilitando così le operazioni di taratura dell’azionamento vibrante ed allo stesso tempo fornendo un feedback sull’efficienza del sistema stesso; un traferro errato infatti può limitare le prestazioni del sistema o, se eccessivo, causare un elevato consumo della bobina nel tentativo di ottenere la spinta desiderata.

Il miglioramento delle prestazioni e della diagnosi dello stato di funzionamento di un alimentatore vibrante rispetto allo stato attuale dell’arte si basa su un confronto tra la misura della densità di flusso magnetico Bm ed il valore limite di saturazione di riferimento Bsat del materiale ferromagnetico che caratterizza di volta in volta il sistema in esame a seconda dello specifico elettromagnete in uso.

L’attività di diagnostica elettromagnetica si basa sul valore assunto, durante tale funzionamento, dalla soglia:

Fissato il valore limite di saturazione magnetica del materiale, secondo letteratura tecnica, espresso mediante il parametro di densità di flusso magnetico Bsat, una situazione operativa efficiente di un alimentatore vibrante è descritta dalla condizione:

ovvero dal mantenimento del parametro di induzione magnetica Bm ad un valore costante inferiore a Bsat, mediante un controllo automatico in retroazione negativa che segua l’andamento della corrente I variabile nel tempo.

Un materiale ferromagnetico, sottoposto a campo magnetico esterno H, ha la proprietà di magnetizzarsi sino al raggiungimento di una condizione di saturazione, descritta dal valore limite di induzione magnetica Bsat. Una normale operatività dell’elettromagnete è descritta dalla corrispondenza tra intensità del campo magnetico Hm, distribuito nel materiale con densità di flusso Bm a determinare il punto di lavoro L. La permeabilità, ovvero l’attitudine di tale materiale alla magnetizzazione, descritta dal rapporto

ed elevata per valori di H→0 si riduce linearmente al crescere di H e, solo dopo aver superato una regione di transizione, ginocchio, tende a diminuire con una regola non lineare: la condizione di saturazione magnetica comporta che la densità di flusso nel materiale Bm non cresca più proporzionalmente all’aumento di intensità di campo magnetico H, ma si assesti al valore Bsat. In tali condizioni, all’aumento di potenza elettrica e, dunque, di corrente, l’elettromagnete non sviluppa forza ulteriore, mentre l’avvolgimento in rame tende a riscaldarsi oltre il dovuto.

La situazione di anomalia, segnalata dal raggiungimento ed eventuale superamento del valore di soglia:

diagnostica un problema di natura elettromagnetica e richiede lo spegnimento dell’apparecchio per evitare il rischio di scioglimento della guaina protettiva del conduttore in rame nell’avvolgimento e relativo cortocircuito delle spire. Sarà opportuno, allora, controllare la distanza del traferro e, se alla riaccensione del sistema il problema permane, si dovrà sostituire il corpo bobina.

In caso di funzionamento efficiente, invece, tale procedura consente di individuare la corrispondenza tra la potenza elettrica in gioco e l’indicazione sulla densità con cui il flusso magnetico si distribuisce nel percorso magnetico dal nucleo all’indotto, in relazione al consumo in corrente: stabilita la coerenza tra i parametri elettrici ed elettromagnetici indicati, un controllore potrà proseguire tutte le altre attività di diagnostica previste sull’apparecchio vibrante, mantenendo la sua normale condizione operativa.

L’attività di diagnostica elettromeccanica consiste nell’integrazione delle procedure di diagnostica elettromagnetica e di monitoraggio dei parametri meccanici, accelerazione canale e frequenza operativa, ed ha l’obiettivo di segnalare all’operatore l’impossibilità di accrescere la velocità di convogliamento degli articoli, in caso di raggiunta saturazione dell’induzione magnetica nel materiale del nucleo nell’elettromagnete. I due procedimenti di calcolo precedentemente descritti, entrambi basati sulle misure elettriche di tensione e corrente e, quindi, di induttanza, ai capi del solenoide, si basano sul valore assunto dalla soglia:

In condizioni di utilizzo efficiente, la procedura consente la normale variazione del parametro di accelerazione a0, impostato sul pannello operatore del controllore elettronico. Viceversa, al raggiungimento e superamento della soglia, la variazione del parametro a0 è interdetta all’operatore a cui è segnalato un allarme di malfunzionamento dell’apparecchio vibrante in esame.

I possibili metodi di analisi della corrente I che scorre nell’avvolgimento in rame dell’elettromagnete, bobina, permettono di calcolare il valore di induttanza variabile L del circuito magnetico costituito dall’avvolgimento in rame, bobina, e l’insieme nucleo ferromagnetico/indotto.

Per induttanza L si intende la grandezza fisica che relaziona il parametro di tensione elettrica v, indotta ai capi di un induttore, come l’avvolgimento in rame dell’elettromagnete su cui si esegue il monitoraggio diagnostico, percorso da corrente I0.

Note le caratteristiche fisiche e geometriche dell’elettromagnete, in termini di numero di spire dell’avvolgimento in rame e di superficie del nucleo ferromagnetico sottoposto al fenomeno della magnetizzazione, la risposta elettromagnetica dell’unità vibrante in esame e pure quella meccanica riguardo la sua oscillazione armonica sono riconducibili alla misura della variazione nel tempo del parametro di corrente I0 che scorre nella bobina, mediante il calcolo dell’induttanza L.

Dalla variazione di corrente I0 e, dunque, di induttanza L, è possibile, infatti, verificare lo stato di densità di flusso magnetico nell’elettromagnete e l’eventuale raggiungimento della condizione di saturazione magnetica nel materiale di cui si costituisce; nel contempo, è altresì possibile descrivere la reale oscillazione armonica dell’alimentatore vibrante, mediante deduzione del parametro di traferro, variabile entro valori minimo e massimo; dall’escursione effettiva di traferro e nota la frequenza operativa di comando dell’apparecchio in esame, si può ricavare l’accelerazione aS a cui è soggetto il canale di trasporto montato su un alimentatore vibrante lineare, oppure il contenitore di selezione su un alimentatore vibrante circolare.

Il regolare funzionamento di un alimentatore vibrante, che trova fondamento nel fenomeno fisico della risonanza meccanica, prevede che nel circuito magnetico nucleo-indotto la variazione di corrente I0 e, quindi, di induttanza L, seguano durante il movimento armonico un andamento non lineare; poiché il parametro di induttanza L è strettamente legato a quello di riluttanza magnetica, che quantifica nell’elettromagnete l’opposizione al transito del flusso magnetico indotto, si registra un massimo valore di induttanza in corrispondenza di un minimo valore di corrente. Ad un massimo valore di induttanza corrisponde un minimo valore di riluttanza; ne consegue un massimo flusso magnetico ed una massima sua densità Bm nel materiale. In questo modo, alla massima attrazione tra nucleo ed indotto corrisponde il minimo traferro nell’oscillazione meccanica descritta.

In sintesi, all’aumentare del parametro di induttanza, aumenta la circolazione del flusso magnetico tra nucleo ed indotto, sino al raggiungimento della condizione di saturazione magnetica, a cui segue la limitazione nella fornitura di potenza elettrica all’elettromagnete e la gestione di un allarme di malfunzionamento.

Viceversa, ad un massimo valore di corrente corrisponde un minimo valore di induttanza, un massimo valore di riluttanza magnetica ed un minimo flusso magnetico che tende a ridursi, sino a divenire pari a zero, al raggiungimento del massimo spostamento dell’indotto rispetto al nucleo. Un valore di traferro troppo elevato comporta una riduzione della potenza attrattiva dell’elettromagnete, a scapito di un aumento del consumo elettrico di corrente, condizione monitorata dal controllo diagnostico di tipo termodinamico, costantemente attivo sul controllore.

Considerata la legge fisica dell’induttore:

è possibile ricavare il parametro di induttanza secondo differenti implementazioni sulla scheda hardware del controllore.

Si indicano, ad esempio, due diverse metodologie, entrambe basate sull’acquisizione del segnale elettrico di corrente I0:

- metodo del campionamento del segnale I0;

- metodo del bilanciamento della quantità di carica elettrica.

Metodo del campionamento del segnale I0.

Il segnale elettrico di corrente I0 è campionato con periodo Tk; l’induttanza è ricavata dal rapporto tra l’integrale della tensione di alimentazione ViTk, calcolato tra l’inizio della misura (t = 0) e l’istante a cui è riferito il campionamento e l’ampiezza del campione di corrente ITk, riferito anch’esso all’istante L’induttanza L è definita puntualmente e, partendo da un valore costante L0, corrispondente al traferro impostato manualmente, varia tra un valore minimo Lmin, a traferro massimo, ed un valore massimo Lmax, a traferro minimo, durante la normale oscillazione armonica dell’indotto nell’unità vibrante.

Metodo del bilanciamento della quantità di carica elettrica.

Partendo da un segnale di tensione di alimentazione Vi:

- costante, se applicata in ingresso ad un modulatore di larghezza di impulso A-B (PWM, che impieghi IGBT); - variabile, se applicata in ingresso ad un parzializzatore di fase C-D (o tiristore, che impieghi TRIAC);

si distingue tra:

- l’intensità di corrente fornita dalla rete elettrica alla bobina dell’elettromagnete (IA oppure IC) e l’intensità di corrente rilasciata dalla bobina nell’elettromagnete alla rete elettrica (IB oppure ID); - la quantità di carica elettrica fornita dalla rete elettrica alla bobina nell’elettromagnete (QA oppure QC), integrando il segnale di corrente (IA oppure IC) nel semiperiodo [0;T/2];

- la quantità di carica elettrica rilasciata dalla bobina nell’elettromagnete alla rete elettrica(QB oppure QD), integrando il segnale di corrente (IB oppure ID) nel semiperiodo [T/2;T];

- la differenza tra le due quantità di carica elettrica così calcolate (Q = QA - QB oppure Q = Qc - QD), responsabile del movimento effettivo dell’unità vibrante e generatrice di perdite meccaniche e magnetiche;

- l’intensità di corrente IT responsabile del movimento effettivo dell’unità vibrante e generatrice di perdite meccaniche e magnetiche, ottenuta con un’operazione di derivazione nel periodo T della quantità di carica elettrica effettiva Q precedentemente calcolata.

Dividendo, infine, la tensione di alimentazione ViT integrata nel periodo T per l’intensità di corrente IT, si ottiene un valore di induttanza media KLT sul periodo T medesimo.

Dal punto di vista fisico-matematico, il concetto di attrazione magnetica in un circuito magnetico trae origine da un’analogia con il dominio dei circuiti elettrici, in particolare basata sull’equivalenza tra la I.a Legge di Ohm, valida per i circuiti elettrici, e la Legge di Hopkinson, valida per i circuiti magnetici.Secondo la legge di Hopkinson, la circuitazione di un campo magnetico H lungo una qualsiasi linea chiusa γ che concatena N volte il circuito percorso da corrente è pari al prodotto delle spire dell’avvolgimento N per la corrente I0 che le attraversa; tale grandezza è definita forza magnetomotrice f.m.m.:

Analogamente, alla I.a Legge di Ohm valida per i circuiti elettrici, V=RI:

- la tensione elettrica V, espressa in Volt, corrisponde alla forza magnetomotrice f.m.m., espressa in Ampèrespire;

- la corrente elettrica I, espressa in Ampère corrisponde al flusso magnetico espresso in Weber o Wb;

- la resistenza elettrica R, espressa in Ohm, corrisponde alla riluttanza Rm, espressa in che quantifica l’opposizione nel circuito magnetico al transito di un flusso magnetico;

Dal numero di spire H di cui si compone l’avvolgimento e dal valore di induttanza L0 variabile nel tempo insieme alla corrente, si ottiene la riluttanza complessiva Rm del circuito magnetico chiuso tra il nucleo e l’indotto:

Dalla legge di Hopkinson, si ricava il flusso magnetico:

e nota la sezione S del nucleo ferromagnetico attraversato dal flusso magnetico stesso, si ricava il valore di densità di flusso magnetico, o induzione magnetica Bm, espressa in Tesla o Weber/m^2:

Analogamente alla II.a Legge di Ohm valida per i circuiti elettrici, trascurando la riluttanza nel materiale ferromagnetico è possibile ricondurre la riluttanza di un circuito magnetico a quella nel solo traferro, in aria, secondo la relazione:

La resistività ρ, espressa in Ohm x m, corrisponde all’inverso della permeabilità magnetica del vuoto,

espresso in Henry/m, attestante l’attitudine

alla propagazione in aria del campo magnetico.

La lunghezza del conduttore in rame L, espressa in m, corrisponde al solo valore di traferro, X0, espresso in m.

La sezione del conduttore in rame A, espressa in , corrisponde alla sezione del nucleo ferromagnetico attraversato dal campo magnetico S, espressa in

Da una misura del traferro X0 impostato meccanicamente al montaggio dell’alimentatore vibrante, eseguita mediante spessimetro, e da una relativa misura di induttanza L0 relativa a tale valore di traferro, si ricava il punto di lavoro P=(X0, L0).

Combinando le definizioni di riluttanza magnetica e di induttanza riferite ad un solenoide accoppiato ad un nucleo magnetico chiuso:

si ricava una relazione tra induttanza, traferro e parametri caratteristici dell’avvolgimento in rame, numero spire N e del nucleo ferromagnetico di superficie magnetica S:

Da tale relazione, di andamento iperbolico, a dimostrare la non linearità esistente tra i parametri di induttanza L e traferro X0 descritta precedentemente e ricavati mediante misura di corrente I0 i valori di induttanza massima e minima, si possono dedurre i corrispondenti valori di traferro minimo e massimo:

Il valore di oscillazione utile al calcolo dell’accelerazione, risulta, pertanto:

da cui, nota la frequenza operativa f del sistema vibrante, si risale alla stima dell’accelerazione a cui il canale di trasporto è sottoposto:

Infine, operando un controllo in retroazione negativa, si prevede di implementare il mantenimento del parametro di accelerazione AS, rispetto al parametro di set-point A0 impostato manualmente sul controllore, sino all’emissione dell’opportuna segnalazione di allarme, al raggiungimento della condizione di saturazione magnetica nel materiale dell’elettromagnete, come previsto dalla procedura di diagnostica elettromagnetica sopra descritta.

Ad un’analisi completa, nel caso siano noti tutti i parametri elettrici, meccanici e geometrici dell’alimentatore vibrante richiesti dal modello fisicomatematico in esame, si affianca una lettura approssimata dei risultati di monitoraggio, qualora, invece, il costruttore non fornisca in maniera completa, ad esempio per motivi di privacy aziendale, le informazioni tecniche caratteristiche delle componenti del sistema vibrante di alimentazione. Ad esempio, è possibile ricavare il valore approssimato di induzione magnetica Bm dalla semplice misura di corrente I0 e riferita ad una misura di ingombro massimo dell’elettromagnete. In tal caso, l’attività di diagnostica deve considerare opportune tolleranze di calcolo ed occorre segnalare all’operatore manutentore che il controllo dell’alimentatore vibrante è eseguito su base di parametri dedotti in maniera approssimata.

Le proposte di attività di monitoraggio e diagnostica descritte sono applicabili in maniera generica ad alimentatori vibranti esistenti, costruiti e già installati, oppure a modelli di nuova concezione.

I metodi descritti nel presente documento sono solo due dei possibili metodi realizzabili per implementare il confronto tra Bm e Bsat e l’analisi della corrente I per ottenere l’induttanza L.

Si sono descritte alcune forme preferite di attuazione dell’invenzione, ma naturalmente esse sono suscettibili di ulteriori modifiche e varianti nell’ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate nelle quali, eventuali segni di riferimento posti tra parentesi non possono essere interpretati nel senso di limitare le rivendicazioni stesse. Inoltre, la parola "comprendente" non esclude la presenza di elementi e/o fasi diversi da quelli elencati nelle rivendicazioni. L’articolo “un”, “uno” o “una” precedente un elemento non esclude la presenza di una pluralità di tali elementi. Il semplice fatto che alcune caratteristiche siano citate in rivendicazioni dipendenti diverse tra loro non indica che una combinazione di queste caratteristiche non possa essere vantaggiosamente utilizzata.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Alimentatore vibrante di articoli, comprendente almeno un elettromagnete comandato tramite un circuito di controllo per far vibrare in frequenza almeno un elemento dell’alimentatore, il circuito di controllo, a canale fisso o multiplo e a frequenza fissa o variabile, comprendente un sensore a effetto Hall, un amplificatore differenziale, un comparatore, ed un circuito di integrazione per il controllo di velocità e spostamento dell’elemento dell’alimentatore, caratterizzato dal fatto che detto circuito di controllo comprende uno stadio dedicato atto a mantenere una separazione galvanica tra una parte ad alta tensione dove fluisce corrente elettrica misurata ed una parte a bassa tensione di un segnale elaborato per misurare, istante per istante, la corrente assorbita e la tensione di funzionamento di detto almeno un elettromagnete.
2. Procedimento di stima della vita residua di detto almeno un elettromagnete di un alimentatore vibrante di articoli, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: - monitorare costantemente l’andamento della forma d’onda della corrente (I) assorbita e della tensione (V) di funzionamento per calcolare un valore di resistenza ohmica di detto almeno un elettromagnete, da confrontare con un valore di riferimento; - determinare un margine residuo prima della saturazione magnetica di detto almeno un elettromagnete; - determinare un opportuno traferro; - confrontare la misura della densità di un flusso magnetico (Bm) rispetto ad un valore limite di saturazione di riferimento (Bsat) di detto almeno un elettromagnete, tramite un valore dell’induttanza (L) sulla base dell’acquisizione del valore di corrente (I) assorbita; - verificare una situazione operativa efficiente dell’alimentatore vibrante tramite la condizione
3. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi seguenti per ricavare un valore dell’induttanza (L) sulla base dell’acquisizione del valore di corrente (I) assorbita: - campionamento di un segnale elettrico di corrente (I0) con un periodo (Tk); - calcolo dell’induttanza (L) data dal rapporto tra l’integrale della tensione di alimentazione (ViTk) e l’ampiezza di un campione di corrente (ITk), l’integrale della tensione di alimentazione (ViTk) calcolato tra l’inizio della misura (t=0) e l’istante a cui è riferito il campionamento (t=t0, con t0ϵTk), l’ampiezza del campione di corrente (ITk) riferita all’istante (t=t0, con t0ϵTk), l’induttanza (L) definita puntualmente e, partendo da un valore costante (L0), corrispondente al traferro impostato manualmente, atta a variare tra un valore minimo (Lmin), a traferro massimo, ed un valore massimo (Lmax), a traferro minimo, durante la normale oscillazione armonica dell’indotto nell’alimentatore vibrante.
4. Procedimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere la seguente fase per ricavare un valore dell’induttanza (L) sulla base dell’acquisizione del valore di corrente (I) assorbita: - calcolo dell’induttanza media (KLT) in un periodo (T) data dal rapporto tra l’integrale della tensione di alimentazione (ViT) e l’intensità di corrente (IT), la tensione di alimentazione (Vi) costante, se applicata in ingresso ad un modulatore di larghezza di impulso (A-B) di un circuito che presenti un PWM che impieghi IGBT, la tensione di alimentazione (Vi) variabile, se applicata in ingresso ad un parzializzatore di fase (C-D) che impieghi TRIAC, distinguendo tra l’intensità di corrente fornita dalla rete elettrica alla bobina dell’elettromagnete (IA) oppure (IC) e l’intensità di corrente rilasciata dalla bobina nell’elettromagnete alla rete elettrica (IB) oppure (ID), distinguendo tra la quantità di carica elettrica fornita dalla rete elettrica alla bobina nell’elettromagnete (QA) oppure (QC), integrando il segnale di corrente (IA) oppure (IC) nel semiperiodo [0;T/2] e la quantità di carica elettrica rilasciata dalla bobina nell’elettromagnete alla rete elettrica (QB) oppure (QD), integrando il segnale di corrente (IB) oppure (ID) nel semiperiodo [T/2;T], la differenza tra le due quantità di carica elettrica così calcolate (Q = QA – QB) oppure (Q = Qc -QD) essendo responsabile del movimento effettivo dell’unità vibrante e generatrice di perdite meccaniche e magnetiche, l’intensità di corrente (IT) responsabile del movimento effettivo dell’unità vibrante e generatrice di perdite meccaniche e magnetiche, ottenuta con un’operazione di derivazione nel periodo [T] della quantità di carica elettrica effettiva (Q).
5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazione precedenti 2, 3, 4, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi seguenti: a) avviamento dell’alimentatore; b) controllo automatico in retroazione negativa dell’andamento della forma d’onda della corrente (I) assorbita; c) in caso di anomalia segnalata dal raggiungimento ed eventuale superamento di un valore di soglia, per cui il margine residuo prima della saturazione magnetica di detto almeno un elettromagnete non è rispettato, arresto dell’alimentatore; d) controllo della distanza del traferro; e) riavviamento dell’alimentatore; f) controllo automatico in retroazione negativa dell’andamento della forma d’onda della corrente (I) assorbita; g) in caso di anomalia segnalata dal raggiungimento ed eventuale superamento di un valore di soglia, per cui il margine residuo prima della saturazione magnetica di detto almeno un elettromagnete non è rispettato, arresto dell’alimentatore; h) sostituzione del corpo bobina; i) riavviamento dell’alimentatore; j) controllo automatico in retroazione negativa dell’andamento della forma d’onda della corrente (I) assorbita; k) in caso di funzionamento efficiente, individuazione della corrispondenza tra la potenza elettrica in gioco e l’indicazione sulla densità con cui il flusso magnetico si distribuisce nel percorso magnetico all’interno dell’elettromagnete, in relazione al consumo della corrente (I) assorbita; l) controllo di tutte le attività di diagnostica previste, come integrazione delle procedure di diagnostica elettromagnetica e di monitoraggio dei parametri meccanici, accelerazione canale e frequenza operativa, per consentire all’operatore di impostare la normale variazione del parametro di accelerazione (a0).
6. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di operare un controllo in retroazione negativa per mantenere un parametro di accelerazione (aS) rispetto a detto parametro di (a0) impostato manualmente, sino all’emissione dell’opportuna segnalazione di allarme, al raggiungimento della condizione di saturazione magnetica dell’elettromagnete.
7. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di svolgersi senza sensori o altri mezzi di rilevazione diretta del flusso magnetico di campo o del valore di accelerazione a cui è sottoposto l’alimentatore vibrante, bensì di svolgersi attraverso elaborazione numerica di un microprocessore o mediante circuito elettronico a componenti discreti.
8. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di usare sensori o altri mezzi di rilevazione come sonde ad effetto Hall, in grado di misurare direttamente il flusso di campo magnetico e quindi consentendo di ottenere un confronto tra Bm e Bsat, accelerometri in grado di misurare direttamente il valore di accelerazione a cui è sottoposto l’alimentatore vibrante attraverso il quale è possibile ricavarne (L) stessa, sensore adibito alla misura dello spostamento dei componenti in movimento dell’alimentatore vibrante, una misura istantanea ed una misura media sul periodo di (I).
9. Programma di computer comprendente mezzi di codice di programma di computer atti ad eseguire tutte o parte delle fasi di detto procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti quando tale programma è eseguito su un qualunque sistema di controllo per vibroalimentatori, quale un controllore dedicato, un pannello operatore, un PLC, un computer o qualunque mezzo idoneo a implementare tale programma.
10. Programma di computer secondo la rivendicazione precedente e contenuto su un supporto leggibile da un qualunque sistema di controllo per vibroalimentatori, quale un controllore dedicato, un pannello operatore, un PLC, un computer o qualunque mezzo idoneo a implementare tale programma.