IT201900019532A1 - Sensore e dispositivo per il monitoraggio di fluidi - Google Patents
Sensore e dispositivo per il monitoraggio di fluidi Download PDFInfo
- Publication number
- IT201900019532A1 IT201900019532A1 IT102019000019532A IT201900019532A IT201900019532A1 IT 201900019532 A1 IT201900019532 A1 IT 201900019532A1 IT 102019000019532 A IT102019000019532 A IT 102019000019532A IT 201900019532 A IT201900019532 A IT 201900019532A IT 201900019532 A1 IT201900019532 A1 IT 201900019532A1
- Authority
- IT
- Italy
- Prior art keywords
- pressure sensor
- pressure
- flexible
- flexible support
- support
- Prior art date
Links
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title description 25
- 239000012530 fluid Substances 0.000 title description 17
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 44
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 claims description 22
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 1
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
- G01L9/0002—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using variations in ohmic resistance
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Sampling And Sample Adjustment (AREA)
Description
TITOLO
SENSORE E DISPOSITIVO PER IL MONITORAGGIO DI FLUIDI
DESCRIZIONE
Campo di applicazione dell’invenzione
La presente invenzione riguarda in generale il settore del monitoraggio di fluidi. In particolare, la presente invenzione riguarda un sensore ed un dispositivo per il monitoraggio di un fluido.
Stato della tecnica
Sono note diverse tipologie di sensori per fluidi. Questi sensori sono comunemente divisi in sensori di pressione e sensori di portata.
I sensori di portata più comuni sono, per esempio, i sensori a ventola ed i sensori elettromagnetici. I sensori di pressione possono essere classificati in due tipologie: sensori basati sulla nota legge di Pascal; sensori di pressione basati sulla deformazione di un elemento elastico.
Come noto, i sensori di pressione a deformazione di un elemento elastico possono essere realizzati come sensori di pressione integrati, in particolare sono noti sensori di pressione piezoelettrici a membrana. Questi sensori di pressione piezoelettrici sfruttano una membrana comprendente un materiale piezoelettrico che deformandosi genera un segnale proporzionale alla pressione esercitata da un fluido sulla membrana stessa.
La Richiedente ha notato che in alcune applicazioni, come il monitoraggio di condotti dell'acqua potabile cittadina, sia i sensori di pressione sia i sensori di portata noti non sono adatti ad essere utilizzati per un monitoraggio in tempo reale.
In particolare, la Richiedente ha notato che i sensori a ventola presentano la necessità di interventi di manutenzione ordinaria per garantirne il corretto funzionamento, causando un elevato costo di gestione. Inoltre, i sensori a ventola non sono in grado di fornire misure precise sulla differenza di pressione all'interno di una condotta (es. transitori dovuti a manovre di apertura/chiusura).
I sensori elettromagnetici presentano un elevato consumo energetico e di conseguenza il loro utilizzo per acquisire misure in tempo reale comporta dei costi non sostenibili.
Sommario dell’invenzione
Scopo della presente invenzione è fornire un dispositivo di monitoraggio per fluidi che superi i suddetti problemi.
In particolare, scopo della presente invenzione è fornire un dispositivo di monitoraggio per fluidi che sia affidabile, poco costoso, che non presenti un alto consumo energetico.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è fornire un dispositivo di monitoraggio per la valutazione delle caratteristiche fisiche di un fluido utilizzabile in tempo reale e che sia in grado di evincere parametri fisici caratteristici del flusso in un’unica misura.
Secondo un primo aspetto, la presente invenzione fornisce un sensore di pressione comprendente:
- una base sostanzialmente piatta;
- una pluralità di supporti flessibili, estendentisi da detta base;
- una pluralità di elementi piezoelettrici, ciascun elemento piezoelettrico essendo fissato ad un rispettivo supporto flessibile e atto a generare un rispettivo segnale di flessione in funzione della deformazione di detto rispettivo supporto flessibile;
in cui ciascun supporto flessibile presenta dimensioni differenti rispetto ad almeno un altro supporto flessibile.
Secondo un secondo aspetto, la presente invenzione fornisce un dispositivo di monitoraggio comprendente:
- un sensore di pressione secondo forme di realizzazione della presente invenzione;
- una scheda elettronica configurata per acquisire un segnale di flessione proveniente da detto sensore di pressione e per generare, in funzione di detto segnale di flessione, un segnale di uscita rappresentativo di una pressione rilevata da detto sensore di pressione.
- un elaboratore configurato per leggere detto segnale di uscita rappresentativo di una pressione e calcolare un valore di pressione ed un valore di portata.
Ulteriori caratteristiche vantaggiose della presente invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti allegate.
Breve descrizione delle figure
La presente invenzione risulterà più chiara dalla seguente descrizione dettagliata, da leggersi con riferimento ai disegni allegati forniti a titolo di esempio e non di limitazione, in cui:
- le Figure 1a e 1b mostrano uno schema di un sensore di pressione;
- la Figura 2 mostra un’immagine SEM di un sensore di pressione;
- la Figura 3 mostra uno schema di collegamento elettrico esemplificativo di alcuni componenti del sensore di pressione di Figura 2;
- la Figura 4 mostra uno schema a blocchi esemplificativo del sensore di pressione secondo la presente invenzione;
- la Figura 5 mostra uno schema a blocchi esemplificativo di un dispositivo di monitoraggio secondo forme di realizzazione della presente invenzione; - la Figura 6 mostra un’immagine parziale di un dispositivo di monitoraggio secondo la presente invenzione;
- la Figura 7 mostra uno schema parziale di un sensore di pressione secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la Figura 8 mostra la deformazione di elementi del sensore di pressione di Figura 7 in presenza di una pressione uniforme;
- la Figura 9 mostra la deformazione di ulteriori elementi del sensore di pressione di Figura 7 in presenza di una pressione uniforme;
- la Figura 10 mostra una stima esemplificativa della deformazione massima subita da alcuni elementi del sensore di pressione secondo la presente invenzione quando un'onda di pressione viene rivelata;
- la Figura 11 mostra un ulteriore schema di un sensore di pressione secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione.
Nel seguito con il termine "sensore di pressione" si indicherà un trasduttore che genera un segnale di tensione in funzione di una forza percepita dal sensore di pressione stesso.
Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione
Secondo un primo aspetto della presente invenzione, è fornito un dispositivo di monitoraggio 200. Come sarà più chiaro in seguito, il dispositivo di monitoraggio 200 può essere impiegato per rilevare la pressione e/o la portata di un fluido.
Il dispositivo di monitoraggio 200 comprende un sensore di pressione 100.
Il sensore di pressione 100 comprende una base 101 sostanzialmente piatta. Preferibilmente, la base 101 è realizzata in silicio.
Il sensore di pressione 100 comprende una pluralità di supporti flessibili 102a, 102b, 102c, …, 102i.
Nel seguito, per motivi di chiarezza, è descritto il funzionamento di un singolo supporto flessibile 102.
Il supporto flessibile 102 si estende dalla base 101. Il supporto flessibile 102 presenta una prima estremità fissata alla base 101 ed una seconda estremità libera di muoversi. In altre parole, il supporto flessibile 102 è fissato a sbalzo alla base 101. Preferibilmente, il supporto flessibile 102 è realizzato in silicio.
Considerando una vista in pianta, il supporto flessibile 102 ha un lato maggiore L (anche chiamato lunghezza L nel seguito), sostanzialmente parallelo all'asse X, preferibilmente compreso tra 100 µm e 500 µm. Il supporto flessibile 102 ha un lato minore W (anche chiamato larghezza W nel seguito), sostanzialmente parallelo all'asse Y, preferibilmente compreso tra 50 µm e 300 µm. Il supporto flessibile ha una dimensione H (anche chiamata spessore H nel seguito), sostanzialmente parallela all'asse Z, preferibilmente compresa tra 100 µm e 500 µm. Preferibilmente, il supporto flessibile 102 ha uno spessore H minore o uguale allo spessore H della base 101. Per motivi di chiarezza lo spessore H è mostrato in Figura 1a, la lunghezza L e la larghezza W sono mostrati in Figura 1b
La Richiedente osserva che i supporti flessibili 102 e la base 101 del sensore di pressione 100 possono avere anche dimensioni maggiori di 500 µm.
Come mostrato nelle Figure 1b e 2, il sensore di pressione 100 comprende un elemento piezoelettrico 110. In particolare, l'elemento piezoelettrico 110 è fissato al supporto flessibile 102. Preferibilmente l'elemento piezoelettrico 110 è fissato sulla prima estremità del supporto flessibile 102, come spiegato in dettaglio nel seguito. L'elemento piezoelettrico 110 genera un segnale di tensione V proporzionale alla propria deformazione.
In particolare, preferibilmente, l'elemento piezoelettrico 110 comprende una prima piezoresistenza 111 e una seconda piezoresistenza 112. Ciascuna piezoresistenza 111, 112 è posizionata nella regione di contatto tra il supporto flessibile 102 e la base 101. In questo modo, una flessione del supporto flessibile 102 causa la deformazione reticolare delle piezoresistenze 111, 112 e di conseguenza una variazione della loro resistenza. Infatti, ciascuna piezoresistenza 111, 112 è caratterizzata da una diretta e misurabile correlazione tra la propria resistività intrinseca e la deformazione reticolare subita.
Preferibilmente, l'elemento piezoelettrico 110 comprende una prima resistenza 113 ed una seconda resistenza 114 montate entrambe sulla base 101.
Con riferimento alle Figure 2 e 3, secondo una forma di realizzazione, le piezoresistenze 111, 112 e le resistenze 113, 114 sono collegate in modo da formare un ponte di Wheatstone in configurazione a mezzo ponte. In altre parole, la prima piezoresistenza 111 e la prima resistenza 113 sono collegate in serie formando un primo ramo. Analogamente, la seconda piezoresistenza 112 e la seconda resistenza 114 sono collegate in serie formando un secondo ramo. Il primo ed il secondo ramo sono collegati elettricamente in parallelo.
Secondo questa forma di realizzazione, il sensore di pressione 100 comprende: - un primo elettrodo 115 collegato tra la prima piezoresistenza 111 e la prima resistenza 113;
- un secondo elettrodo 116 collegato tra la prima piezoresistenza 111 e la seconda resistenza 114;
- un terzo elettrodo 117 collegato tra la seconda resistenza 114 e la seconda piezoresistenza 112;
- un quarto elettrodo 118 collegato tra la seconda piezoresistenza 112 e la prima resistenza 113.
Si noterà pertanto che, applicando una tensione di alimentazione tra il primo elettrodo 115 ed il terzo elettrodo 117, è possibile leggere un segnale di tensione V tra il secondo elettrodo 116 ed il quarto elettrodo 118 proporzionale alla deformazione delle piezoresistenze 111, 112 e di conseguenza proporzionale alla flessione del supporto flessibile 102 del sensore di pressione 100. Nel seguito il segnale di tensione V sarà indicato come "segnale di flessione".
Quando una forza (per esempio un delta di pressione causata da un fluido) flette il supporto flessibile 102, l'elemento piezoelettrico 110 genera un segnale di flessione V in funzione della, e preferibilmente proporzionale alla, flessione del supporto flessibile 102 stesso. Tale segnale di flessione V è fornito in output dal sensore di pressione 100.
Preferibilmente, la prima e la seconda piezoresistenza 111, 112 possono avere un valore di resistenza compreso tra 0.5 e 2 kOhm; la prima e la seconda resistenza 113, 114 possono avere un valore di resistenza compreso tra 0.5 e 2 kOhm.
Come sopra anticipato, il sensore di pressione 100 comprende una pluralità di supporti flessibili 102a, 102b, 102c, …, 102i (Figura 4).
Il sensore di pressione 100 è dotato di una pluralità di elementi piezoelettrici 110a, 110b, 110c, …, 110i. Ciascun elemento piezoelettrico 110a, 110b, 110c, …, 110i è fissato alla prima estremità fissa di un rispettivo supporto flessibile 102a, 102b, 102c, …, 102i. Pertanto, il sensore di pressione 100 genera in output una pluralità di segnali di flessione Va,Vb, Vc, …Vi. Ciascun segnale di flessione Va,Vb, Vc, …Vi è generato sostanzialmente come descritto sopra.
Preferibilmente, ciascun supporto flessibile 102a, 102b, 102c, …, 102i presenta una o più dimensioni differenti rispetto ad almeno un altro supporto flessibile 102a, 102b, 102c, …, 102i.
Preferibilmente, ciascun supporto flessibile 102a, 102b, 102c, …, 102i si estende dal medesimo lato della base 101. Preferibilmente, ciascun supporto flessibile 102a, 102b, 102c, …, 102i si estende dal medesimo lato lungo direzioni sostanzialmente parallele.
Nel seguito i segnali di flessione Va, Vb, Vc, …, Vi generati dal sensore di pressione 100 saranno indicati generalmente con l'espressione segnale di flessione V.
Il dispositivo di monitoraggio 200 comprende una scheda elettronica 150.
Con riferimento alla Figura 5, li segnale di flessione V del sensore di pressione 100 è ricevuto in input dalla scheda elettronica 150. In particolare, il secondo elettrodo 116 ed il quarto elettrodo 118 sono collegati in input alla scheda elettronica 150.
Preferibilmente, la scheda elettronica 150 alimenta il sensore di pressione 100 attraverso un circuito di alimentazione 152 dedicato. Per esempio, il circuito di alimentazione 152 è atto a portare una tensione di alimentazione Vdd al primo elettrodo 115 e a collegare a massa il terzo elettrodo 117.
Preferibilmente, la scheda elettronica di acquisizione 150 comprende uno stadio di amplificazione 151. In tal caso, il secondo elettrodo 116 ed il quarto elettrodo 118 sono connessi in input allo stadio di amplificazione 151.
Lo stadio di amplificazione 151 amplifica il segnale di flessione V ricevuto in input con un guadagno G. Per esempio, il guadagno G è ottenuto tramite un primo amplificatore da strumentazione collegato in cascata ad un secondo amplificatore operazionale a basso rumore. In questo modo è possibile ottenere un guadagno G maggiore o uguale a 50, preferibilmente maggiore o uguale a 100.
Preferibilmente, il sensore di pressione 100 e la scheda elettronica 150 sono posizionati su due superfici opposte di una piastra di connessione 160 come mostrato in Figura 6.
Preferibilmente, la piastra di connessione 160 ha dimensioni inferiori o uguali a 10x10 mm.
Preferibilmente, quando il dispositivo di monitoraggio 200 è impiegato per monitorare un gas, il sensore di pressione 100 e la scheda elettronica 150 sono alloggiati all'interno di una camera di monitoraggio (non mostrata) in comunicazione di fluido con la conduttura all'interno della quale è presente il gas stesso. Alternativamente, il sensore di pressione 100 e la scheda elettronica 150 sono installati direttamente all'interno della conduttura da monitorare.
Preferibilmente, quando il dispositivo di monitoraggio 200 è impiegato per monitorare dei liquidi, il sensore di pressione 100 e la scheda elettronica 150 sono alloggiati all'interno di una camera di monitoraggio a tenuta stagna (non mostrata). Preferibilmente, la camera di monitoraggio a tenuta stagna contiene un volume d'aria noto.
La camera di monitoraggio a tenuta stagna è preferibilmente di forma cilindrica. Preferibilmente, quando è prevista una camera di monitoraggio o una camera di monitoraggio a tenuta stagna, la piastra di connessione 160 è inserita all'interno della camera di monitoraggio per mezzo di una soluzione plug-and-play.
Preferibilmente, in corrispondenza di una base della camera di monitoraggio a tenuta stagna è fornito un elemento separatore. L'elemento separatore è atto a trasferire un'onda di pressione da una regione esterna alla camera a tenuta stagna ad una regione interna alla camera a tenuta stagna. Preferibilmente, l'elemento separatore è scelto tra: una membrana flessibile, un pistone a molla, un pistone a gas.
La camera di monitoraggio a tenuta stagna è atta ad impegnare una condotta. In particolare, la condotta e la camera di monitoraggio a tenuta stagna sono collegate in modo tale che l'elemento separatore sia l'interfaccia tra l'interno della condotta e l'interno la camera di monitoraggio a tenuta stagna. L'elemento separatore non permette uno scambio di fluido tra l'interno della camera di monitoraggio a tenuta stagna e l'interno della condotta. La condotta può essere una condotta all'interno della quale scorre un fluido, preferibilmente la condotta è una condotta in pressione. Per esempio, la condotta può essere una condotta di una rete idrica in pressione. Come noto, un’eventuale apertura di una valvola o una rottura di una tubatura causa una perturbazione del fluido, la perturbazione a sua volta comporta una variazione di pressione che genera un'onda di pressione all'interno della condotta stessa.
L'onda di pressione, propagandosi internamente alla condotta, raggiunge la camera di monitoraggio (o la camera di monitoraggio a tenuta stagna) e viene rilevata dal sensore di pressione 100.
In particolare, quando è prevista una camera di monitoraggio a tenuta stagna, l'elemento separatore trasmette per ragioni di continuità, tale onda di pressione all'interno della camera di monitoraggio a tenuta stagna. In altre parole, l'onda di pressione si trasmette all'interno della camera di monitoraggio a tenuta stagna. L'onda di pressione trasmessa può causare la flessione dei supporti flessibili 102a, 102b, 102c ...102i.
Come sopra descritto, la flessione dei supporti flessibili 102a, 102b, 102c, …, 102i genera un corrispondente segnale di flessione Va, Vb, Vc…Vi proporzionale alla deformazione di ciascun supporto flessibile 102a, 102b, 102c, …, 102i. In questo modo, si ottiene un segnale di flessione V proporzionale alla perturbazione all'interno della condotta.
Il dispositivo di monitoraggio 200 comprende un elaboratore 300. L'elaboratore 300 riceve i segnali di flessione V per mezzo di una interfaccia di comunicazione 153.
Preferibilmente, il dispositivo di monitoraggio 200 comprende uno stadio di adattamento 220 ed uno stadio di conversione 230.
Il segnale di flessione V, proporzionale alla variazione di pressione, è inviato in input attraverso l'interfaccia di comunicazione 210 all'elaboratore 300.
Preferibilmente, prima di essere ricevuto dall'elaboratore 300, il segnale di flessione V attraversa lo stadio di adattamento 220. Tale stadio di adattamento 220, per esempio, è configurato per disaccoppiare ed amplificare il segnale di flessione V. Per esempio, tale stadio di adattamento 220 comprende un primo amplificatore operazionale in configurazione inseguitore ed un secondo amplificatore in configurazione sommatore non-invertente in cascata al primo amplificatore operazionale.
Preferibilmente, il segnale di flessione V, dopo lo stadio di adattamento 220, è digitalizzato per mezzo dello stadio di conversione 230 prima di essere inviato all'elaboratore 300.
Vantaggiosamente, il segnale di flessione V, inviato all'elaboratore 300 e acquisito come sopradescritto, è rilevato con una sensibilità compresa tra 1 e 6 µV/nm, preferibilmente compresa tra 1 e 2 µV/nm.
Preferibilmente, lo stadio di conversione 230 digitalizza il valore del segnale di flessione V per mezzo di un microprocessore. In particolare, per digitalizzare il valore del segnale di flessione V, il microprocessore è dotato di un convertitore analogico digitale con almeno 12 bit. Il convertitore analogico digitale può campionare segnali con frequenze maggiori di 50 kHz. Inoltre, tale convertitore analogico digitale deve operare con tempistiche di conversione pari a 10 µs.
Preferibilmente, il microprocessore è dotato di una memoria RAM. Tale memoria RAM è utilizzata per memorizzare il segnale di flessione V letto dal sensore di pressione 100.
Preferibilmente lo stadio di adattamento 220, lo stadio di conversione 230 e la scheda elettronica 150 sono alimentati alla tensione di alimentazione Vdd.
Preferibilmente, la tensione Vdd è inferiore o uguale a 10 Volt, ancora più preferibilmente, la tensione Vdd è inferiore o uguale a 5 Volt.
Vantaggiosamente, il dispositivo di monitoraggio 200 viene alimentato con una bassa tensione di alimentazione Vdd e comporta quindi bassi consumi; di conseguenza è utilizzabile per il monitoraggio di una condotta in tempo reale, senza causare consumi energetici di difficile gestione.
L'elaboratore 300 elabora un valore di pressione P in funzione del valore del segnale di flessione V campionato.
Come noto, un gradiente di pressione, all'interno di una condotta all'interno della quale è presente un fluido, è direttamente collegato alla variazione di flusso all'interno del sistema. Pertanto, conoscendo il gradiente di pressione nel tempo è possibile ricavare la portata del condotto in modo indiretto. Per esempio, è possibile calcolare i valori di pressione e portata all'interno di una conduttura in funzione del segnale di flessione V e del diametro della conduttura stessa utilizzando la nota teoria del colpo d'ariete.
La teoria del colpo d'ariete è nota pertanto non verrà discussa nel dettaglio nel seguito.
Preferibilmente, l'elaboratore 300 è configurato per acquisire un segnale di flessione V in tempo reale.
L'elaboratore 300 elabora un valore di pressione P in funzione del valore del segnale di flessione V. Preferibilmente, l'elaboratore 300 elabora un valore di portata in funzione del valore di pressione P.
Vantaggiosamente, il dispositivo di monitoraggio 200 è in grado di ottenere il valore di pressione P (attraverso la misura diretta del segnale di flessione V generato dal sensore di pressione 100) e/o il valore di portata (calcolato per mezzo di un algoritmo in funzione del valore di pressione P) del fluido all'interno della condotta.
Nel seguito, facendo riferimento alle Figure 7, 8 e 9, è descritta una simulazione del comportamento di un sensore di pressione 100 esemplificativo quando sottoposto ad una pressione uniforme P.
Come mostrato in Figura 7, il sensore di pressione 100 comprende, per esempio, un primo supporto flessibile 102a, un secondo supporto flessibile 102b ed un terzo supporto flessibile 102c.
Secondo questo esempio, il primo supporto flessibile 102a, il secondo supporto flessibile 102c ed il terzo supporto flessibile 102c hanno uno spessore H pari a 10 µm, una larghezza W pari a 110 µm. Il primo supporto flessibile 102a ha una lunghezza La pari a 600 µm. Il secondo supporto flessibile 102b ha una lunghezza Lb pari a 450 µm. Il terzo supporto flessibile 102c ha una lunghezza Lc pari a 300 µm.
Come mostrato in Figura 8, ciascun supporto flessibile 102a, 102b, 102c, sotto l'effetto della pressione P, si deforma, flettendosi in modo diverso l'uno dall'altro. In particolare, secondo la presente simulazione, il primo supporto flessibile 102a presenta, in corrispondenza della sua estremità libera, uno spostamento lungo l'asse Y superiore a 100 µm; il secondo supporto flessibile 102b presenta in corrispondenza della sua estremità libera uno spostamento lungo l'asse Y minore di 50 µm; il terzo supporto flessibile 102c presenta in corrispondenza della sua estremità libera uno spostamento lungo l'asse Y minore di 5 µm.
Come mostrato in Figura 9, la flessione di ciascun supporto flessibile 102a, 102b, 102c causa una diversa deformazione del rispettivo elemento piezoelettrico 110a, 110b, 110c, generando rispettivi segnali di flessione Va, Vb, Vc diversi tra loro. Tali segnali di flessione Va, Vb, Vc diversi tra loro possono essere utilizzati, vantaggiosamente, per discriminare fenomeni che causano variazioni di pressione diverse all'interno della conduttura.
Per esempio, considerando un sensore di pressione 100 comprendente quattro supporti flessibili 102a, 102b, 102c, 102d (non mostrato in figura) aventi uno spessore H pari a 10 µm, larghezza L pari a 110 µm e lunghezze pari a rispettivamente 350 µm, 300 µm, 250 µm e 150 µm in presenza di una variazione di pressione Δp ciascun supporto flessibile 102a, 102b, 102c, 102d subirà una deformazione/flessione massima diversa. In particolare, come mostrato a titolo di esempio in Figura 10
- il supporto flessibile 102a subisce una variazione massima 301;
- il supporto flessibile 102b subisce una variazione massima 302;
- il supporto flessibile 102c subisce una variazione massima 303;
- il supporto flessibile 102d subisce una variazione massima 304.
Si noti che come, precedentemente descritto, a ciascuna variazione 301, 302,303, 304 corrisponde un rispettivo segnale di flessione Va, Vb, Vc, Vd che viene acquisito ed inviato all'elaboratore 300.
L'elaboratore 300 elabora tali segnali di flessione Va, Vb, Vc, Vd calcolando la rispettiva variazione massima 301, 302, 303, 304 di ciascun supporto flessibile 102a, 102b, 102c, 102d. Per esempio, l'elaboratore 300 moltiplica ciascun segnale di flessione Va, Vb, Vc, Vd per una costante moltiplicativa pre-definita.
L'elaboratore 300 successivamente, elabora, in funzione di ciascuna variazione massima 301, 302, 303, 304 una stima della variazione di pressione 400. Per esempio, l'elaboratore 300 utilizza la seguente equazione per ricavare la variazione di pressione a partire da almeno un segnale di flessione V:
doveݕܯܣܺ<>è la variazione massina associata ad un supporto flessibile, Δ è la variazione di pressione, W è la larghezza di tale supporto flessibile, L è la lunghezza di tale supporto flessibile, T è lo spessore di tale supporto flessibile, E è il modulo di Young del materiale in cui è realizzato tale supporto flessibile, I è il momento di inerzia di tale supporto flessibile.
Infine, l'elaboratore 300, preferibilmente, calcola il valore della portata della condotta alla quale il sensore di pressione 100 è collegato utilizzando il fenomeno del colpo d'ariete in funzione di tale variazione di pressione 400 e del diametro della conduttura monitorata.
Vantaggiosamente, la presenza di una pluralità di supporti flessibili permette di discriminare fenomeni che causano variazioni di pressione di intensità diverse tra loro.
Secondo un'ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione, come mostrato in Figura 10, il sensore di pressione 100 preferibilmente comprende una pluralità di supporti flessibili di alimentazione 102'.
Ciascun supporto flessibile di alimentazione 102' è associato ad un rispettivo elemento piezoelettrico di alimentazione 110'. Preferibilmente, ciascun elemento piezoelettrico di alimentazione 110' è fissato ad un rispettivo supporto flessibile di alimentazione 102' ed è atto a generare una rispettiva tensione di alimentazione in funzione della deformazione di un rispettivo supporto flessibile di alimentazione 110'. Preferibilmente, l'elemento piezoelettrico di alimentazione 110' comprende un materiale piezoelettrico ceramico, per esempio PZT.
Preferibilmente ciascun supporto flessibile di alimentazione 102' ha dimensioni maggiori o uguali al supporto flessibile 102a, 102b, 102c, …, 102i avente dimensioni maggiori.
Preferibilmente, ciascun supporto flessibile di alimentazione 102' si estende nella medesima direzione e parallelamente rispetto alla pluralità di supporti flessibili 102. Quando una variazione di pressione flette la pluralità di supporti flessibili di alimentazione 102', ciascun elemento piezoelettrico di alimentazione 110' genera una tensione di alimentazione che è utilizzata per alimentare il dispositivo di monitoraggio 200.
La presente invenzione presenta importanti vantaggi:
- il dispositivo di monitoraggio 200 è adatto ad essere impiegato per il monitoraggio in tempo reale di una condotta contenendo al contempo i costi di gestione;
- il dispositivo di monitoraggio 200 non richiede particolari interventi di manutenzione per garantirne il funzionamento.
- Il dispositivo di monitoraggio 200 può elaborare parametri fisici caratteristici del flusso (per esempio la pressione e/o la portata) a partire da un’unica misura (segnale di flessione V);
Claims (8)
- RIVENDICAZIONI 1. Un sensore di pressione (100) comprendente: - una base (101) sostanzialmente piatta; - una pluralità di supporti flessibili (102a, 102b, 102c, …, 102i), estendentisi da detta base (101); - una pluralità di elementi piezoelettrici (110a, 110b, 110c, …, 110i), ciascun elemento piezoelettrico (110a, 110b, 110c, …, 110i) essendo fissato ad un rispettivo supporto flessibile (102a, 102b, 102c, …, 102i) e atto a generare un rispettivo segnale di flessione (Va, Vb, Vc, …, Vi) in funzione della deformazione di detto rispettivo supporto flessibile (102a, 102b, 102c, …, 102i); in cui ciascun supporto flessibile (102a, 102b, 102c, …, 102i) presenta dimensioni differenti rispetto ad almeno un altro supporto flessibile (102a, 102b, 102c, …, 102i).
- 2. Il sensore di pressione (100) secondo la rivendicazione precedente in cui ciascun elemento piezoelettrico (110a, 110b, 110c, …, 110i) comprende due piezoresistenze (111, 112) posizionate su detto rispettivo elemento flessibile (102a, 102b, 102c, …, 102i).
- 3. Il sensore di pressione (100) secondo la rivendicazione 2 in cui dette piezoresistenze (111, 112) sono collegate in una configurazione a mezzo-ponte di Wheatstone con almeno due resistenze (113, 114) posizionate su detta base (101).
- 4. Il sensore di pressione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detti supporti flessibili (102a, 102b, 102c, …, 102i) si estendono da un medesimo lato di detta base (101), preferibilmente secondo direzioni tra loro sostanzialmente parallele.
- 5. Il sensore di pressione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui ciascuno di detti supporti flessibili (102a, 102b, 102c, …, 102i) presenta conformazione in pianta sostanzialmente rettangolare, presentante lato maggiore compreso tra 100 µm e 500 µm, e lato minore compreso tra 50 µm e 300 µm.
- 6. Il sensore di pressione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detto sensore di pressione (100) comprende inoltre: - una pluralità di supporti flessibili di alimentazione (102'); - una pluralità di elementi piezoelettrici di alimentazione (110'), ciascun elemento piezoelettrico di alimentazione (110') essendo fissato ad un rispettivo supporto flessibile di alimentazione (102') e atto a generare una rispettiva tensione di alimentazione in funzione della deformazione di detto rispettivo supporto flessibile di alimentazione (102').
- 7. Un dispositivo di monitoraggio (200) comprendente: - un sensore di pressione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti; - una scheda elettronica (150) configurata per acquisire un segnale di flessione (V) proveniente da detto sensore di pressione (100) e per generare, in funzione di detto segnale di flessione (V), un segnale di uscita rappresentativo di una pressione rilevata da detto sensore di pressione (100). - un elaboratore (300) configurato per leggere detto segnale di uscita rappresentativo di una pressione e calcolare un valore di pressione (P) e/o un valore di portata.
- 8. Il dispositivo di monitoraggio secondo la rivendicazione 7, in cui detto sensore di pressione (200) è alloggiato all'interno di una camera stagna contenente un volume d'aria noto; detta camera stagna essendo dotata di un elemento di separazione atto ad impegnare una condotta in cui scorre un liquido; detto elemento di separazione essendo adatto a trasferire un'onda di pressione da una regione esterna a detta camera ad una regione interna a detta camera.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT102019000019532A IT201900019532A1 (it) | 2019-10-22 | 2019-10-22 | Sensore e dispositivo per il monitoraggio di fluidi |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT102019000019532A IT201900019532A1 (it) | 2019-10-22 | 2019-10-22 | Sensore e dispositivo per il monitoraggio di fluidi |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| IT201900019532A1 true IT201900019532A1 (it) | 2021-04-22 |
Family
ID=70009043
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| IT102019000019532A IT201900019532A1 (it) | 2019-10-22 | 2019-10-22 | Sensore e dispositivo per il monitoraggio di fluidi |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| IT (1) | IT201900019532A1 (it) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060144153A1 (en) * | 2004-12-28 | 2006-07-06 | Amnon Brosh | Composite MEMS pressure sensor configuration |
| US20090019948A1 (en) * | 2007-07-18 | 2009-01-22 | Gerd Jager | Device for simultaneous measurement of forces |
| RU2586259C1 (ru) * | 2015-02-06 | 2016-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина" | Тензорезистивный преобразователь |
-
2019
- 2019-10-22 IT IT102019000019532A patent/IT201900019532A1/it unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060144153A1 (en) * | 2004-12-28 | 2006-07-06 | Amnon Brosh | Composite MEMS pressure sensor configuration |
| US20090019948A1 (en) * | 2007-07-18 | 2009-01-22 | Gerd Jager | Device for simultaneous measurement of forces |
| RU2586259C1 (ru) * | 2015-02-06 | 2016-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина" | Тензорезистивный преобразователь |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7401522B2 (en) | Pressure sensor using compressible sensor body | |
| Liang et al. | High sensitivity piezoelectric sensors using flexible PZT thick-film for shock tube pressure testing | |
| JP6522624B2 (ja) | 絶対圧差圧圧力トランスデューサー | |
| CA2269214C (en) | Fluid pressure sensing unit incorporating diaphragm deflection sensing array | |
| CN105424236B (zh) | 一种多量程阵列式压力传感芯片及其检测方法 | |
| CN104914033B (zh) | 腐蚀速率测量 | |
| EP3163275B1 (en) | Pressure change measuring apparatus and pressure change measuring method | |
| CA2878920C (en) | Thermal diagnostic for single-crystal process fluid pressure sensor | |
| Cho et al. | An ultrasensitive silicon pressure-based microflow sensor | |
| Rajavelu et al. | Perforated diaphragms employed piezoresistive MEMS pressure sensor for sensitivity enhancement in gas flow measurement | |
| US9970799B2 (en) | System of ultrasonic consumption meters with pressure sensors | |
| US8739632B2 (en) | Pressure sensor structure and associated method of making a pressure sensor | |
| CN105190272B (zh) | 具有实时健康监测和补偿的压力传感器 | |
| CN108458756B (zh) | 流量测量装置和用于过程仪表的测量值换算器 | |
| JP6184006B2 (ja) | 圧力センサ | |
| CN108759652B (zh) | 一种基于惠斯通全桥原理的曲率测量方法 | |
| IT201900019532A1 (it) | Sensore e dispositivo per il monitoraggio di fluidi | |
| Rahman et al. | Analysis of MEMS diaphragm of piezoresistive intracranial pressure sensor | |
| CN116105917A (zh) | 通过压电陶瓷超声波换能器的压力确定 | |
| Jindal et al. | Novel MEMS piezoresistive sensor with hair-pin structure to enhance tensile and compressive sensitivity and correct non-linearity | |
| JPH05107090A (ja) | 差圧流量計 | |
| JP2021099290A (ja) | 流動検知装置およびポンプシステム | |
| US11774302B2 (en) | Sensor apparatus | |
| Kumar et al. | A study of analytical solutions of plate equation for pressure microsensor diaphragm: limitations, comparision and usage | |
| RU2559299C2 (ru) | Датчик дифференциального давления |