IT202000017830A1 - Sistema per la misurazione del flusso di un liquido - Google Patents
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Description
Domanda di brevetto per invenzione avente per titolo ? Sistema per la misurazione del flusso di un liquido?
DESCRIZIONE
La presente invenzione ? relativa a un sistema e relativo metodo di utilizzo per la misurazione del flusso di un liquido in particolare per la misurazione del flusso di liquido in pompe a solenoide o pompe a vibrazione.
Il trovato oggetto della presente domanda di brevetto trova applicazione nel campo della gestione di sistemi idraulici, particolarmente ma non esclusivamente nel campo della gestione dei sistemi idraulici di elettrodomestici. In particolare, il trovato oggetto della presente domanda di brevetto consente la realizzazione di un sistema per la misurazione del flusso di un liquido detto sistema risultando privo di parti mobili rispetto quelle gi? presenti e essenziali per la funzione di pompaggio. E? noto che nei sistemi idraulici di elettrodomestici, in particolare elettrodomestici del tipo macchine per la preparazione e la distribuzione di bevande calde, sia ? previsto il passaggio di un flusso di liquido da un circuito a bassa pressione a un circuito ad alta pressione, detto passaggio essendo usualmente realizzato mediante l?utilizzo di pompe, in particolare, nel settore di riferimento, attraverso di pompe a vibrazione.
In sistemi del tipo sopraccitato, la misurazione della quantit? di liquido pompato dal circuito a bassa pressione al circuito ad alta pressione determina un parametro necessario per eseguire specifici algoritmi e per diagnosticare possibili anomalie del sistema idraulico quali, a titolo esemplificativo, assenza del liquido nel circuito, ostruzioni delle condutture, presenza di incrostazioni nelle condutture, riduzione di sezione delle condutture. Tipicamente la misurazione della quantit? di liquido pompato dal circuito a bassa pressione al circuito ad alta pressione viene realizzato mediante flussimetri.
E? noto che un flussimetro consista in un dispositivo atto alla misura della portata di un liquido che nella fluidodinamica viene definita a come la quantit? di sostanza che attraversa nell'unit? di tempo una sezione di area nota. Notoriamente nel caso di liquidi la portata volumetrica corrisponde alla quantit? di liquido che scorre nell'unit? di tempo attraverso una sezione di area identificata. A seconda della tipologia, i flussimetri possono misurare tale grandezza direttamente o indirettamente. Considerate le relativamente ridotte dimensioni di questa tipologia di elettrodomestici, i vincoli progettuali impongono normalmente l?utilizzo di flussimetri ad elementi rotanti, del tipo flussimetri a turbina. Notoriamente un flussimetro a turbina ? un dispositivo costituito da un corpo all?interno del quale una girante ? turbina - viene movimentata dal passaggio di un liquido. Un sensore, tipicamente un sensore a effetto Hall, rileva il passaggio uno o pi? magneti montati sulla girante; gli impulsi rilevati per unit? di tempo permettono la misura della velocit? di rotazione della girante a sua volta direttamente legata alla portata del liquido.
E? noto allo stato dell?arte che il flussimetro venga interposto tra il serbatoio del liquido e la pompa solenoidale. Un esempio di realizzazione di un flussimetro a turbina del tipo noto ? descritto nella domanda di brevetto WO2010149602. E? nota inoltre allo stato dell?arte l?integrazione di flussimetri a turbina all?interno del corpo della pompa.
Il documento WO2019166955 descrive una modalit? realizzativa di una pompa a vibrazione nel cui corpo risultano integrati mezzi per la misurazione della velocit? del flusso. In particolare secondo il trovato descritto dalla domanda di brevetto WO2019166955 la misura del flusso viene realizzata integrando sulla sezione di aspirazione del corpo della pompa solenoidale un flussimetro a turbina. Tale flussimetro ? composto da una girante, un elemento magnetico montato sulla stessa e un sensore di hall/magnetico per il rilevamento dei giri della turbina. Da tale rilevamento si deduce il flusso del liquido. I flussimetri a turbina risultano particolarmente performanti nel caso di parametri di flusso, quali ad esempio velocit? del liquido, costanti nel tempo o presentanti minime variazioni del tempo. Tuttavia, l?utilizzo di flussimetri a turbina, integrati o meno nel corpo nella pompa, comporta una serie di svantaggi di seguito descritti:
- nel caso in cui il flusso diventi intermittente o parzializzato, il possibile stallo della turbina, causato dalle oscillazioni attorno al punto di stallo, aumenta notevolmente l'errore di misurazione;
- data l?elevata sensibilit? agli impulsi o ai rapidi cambiamenti nella pressione del liquido le limitazioni dell'inerzia della turbina richiedono l?utilizzo aggiuntivo di dispositivi di protezione/smorzamento per mitigare tali fenomeni, rendendo il sistema articolato in termini di numero di componenti e soggetto a usura o danno di detti componenti, in particolare in caso di eccessiva velocit? del flusso o shock idraulici e/o meccanici;
- nel caso di utilizzo di un flussimetro a turbina interposto tra il serbatoio e la pompa si rendono necessari mezzi di connessioni tali da mantenere la continuit? del circuito e la compensazione di anche minime perdite di carico derivanti da una mancata continuit?;
- questa tipologia di flussimetri ? particolarmente soggetto a deposito di materiale con conseguente potenziale incrostazione degli elementi mobili;
- la presenza di elementi meccanici quali cuscinetti, smorzatori,
- La risoluzione e l'accuratezza di questa tipologia di flussimetri sono limitate dal numero di settori e dalle loro dimensioni.
- in caso di flussimetro a turbina integrato nella pompa si rendono necessarie modifiche significative al circuito idraulico della pompa che comportano anche un aumento degli ingombri del corpo della pompa stessa;
- in caso di flussimetro a turbina integrato nella pompa, le vibrazioni assiali della pompa stessa influiscono negativamente sugli elementi che costituiscono la girante, con conseguente usura degli stessi;
- nei flussimetri a basso costo ? necessario un intero giro (o mezzo) della turbina per avere una misura di flusso limitando di conseguenza la risoluzione massima del sensore;
- A basse portate, la precisione diminuisce drasticamente.
- Questi dispositivi devono essere posizionati tenendo conto di molti vincoli come l'orientamento, la distanza da campi elettromagnetici esterni (come quelli generati dalla pompa stessa o da altre fonti come motori o conduttori attraversati da elevata corrente elettrica).
Scopo del trovato oggetto della presente domanda di brevetto ? pertanto quello di risolvere gli svantaggi e i vincoli dello stato dell?arte sin qui descritti, in particolare individuando e descrivendo una soluzione che consenta l?integrazione della funzione di misurazione del flusso nella pompa stessa, detta misurazione del flusso essendo determinata dalla posizione di una o pi? parti mobili esistenti nella pompa che si muovono in direzione dell?asse principale. In particolare, scopo del trovato oggetto della presente domanda di brevetto ? quello di realizzare un sistema di misurazione del flusso di una pompa, detto sistema essendo privo di componenti mobili aggiuntivi rispetto agli elementi essenziali per la funzione di pompaggio del fluido.
Questo e ulteriori scopi verranno raggiungi secondo il trovato di seguito descritto e come rivendicato, in particolare realizzando un sistema di misurazione integrabile in qualsiasi struttura di pompa solenoidale nota, detto sistema essendo tale da consentire la misurazione della quantit? di liquido pompato ad ogni ciclo mediante la misurazione in tempo reale della posizione delle parti mobili della pompa stessa.
Il trovato oggetto della presente domanda di brevetto viene raffigurato, a titolo esemplificativo e non limitativo, nelle Tavole allegate in cui:
Fig 1 Rappresentazione grafica degli elementi costituenti una generica pompa solenoidale;
Fig 2 Rappresentazione grafica di una prima modalit? realizzativa preferenziale, ma non esclusiva, del sistema di misurazione oggetto della presente domanda di brevetto, applicato a una generica pompa solenoidale;
Fig 3 Rappresentazione grafica di una seconda modalit? realizzativa preferenziale, ma non esclusiva, del sistema di misurazione oggetto della presente domanda di brevetto, applicato a una generica pompa solenoidale;
Fig 4 Rappresentazione grafica di una terza modalit? realizzativa preferenziale, ma non esclusiva, del sistema di misurazione oggetto della presente domanda di brevetto, applicato a una generica pompa;
Fig 5: Rappresentazione grafica di una quarta modalit? realizzativa preferenziale, ma non esclusiva, del sistema di misurazione oggetto della presente domanda di brevetto, applicato a una generica pompa solenoidale;
Fig 6: Rappresentazione grafica di una fase di aspirazione di una generica pompa solenoidale ; Fig 7: Rappresentazione grafica del sistema di funzionamento del trovato oggetto della presente domanda di brevetto applicato a una generica pompa solenoidale in fase di aspirazione in una prima modalit? realizzativa preferenziale, ma non esclusiva.
Fig 8: Rappresentazione grafica di una fase di pompaggio di una generica pompa solenoidale ; Fig 9: Rappresentazione grafica del sistema di funzionamento del trovato oggetto della presente domanda di brevetto applicato a una generica pompa solenoidale in fase di pompaggio in una prima modalit? realizzativa preferenziale, ma non esclusiva.
Fig 10: Esemplificazione grafica circuito equivalente dell?impedenza della almeno una bobina di rilevamento
Fig 11: Esemplificazione grafica di un oscillatore LC utilizzato per trasdurre le variazioni di induttanza equivalente della bobina di rilevamento in variazioni di frequenza.
Con riferimento a Fig 1, una pompa solenoidale (40) ? notoriamente costituita da una boccola di aspirazione (1), un circuito magnetico principale (6) costituito a sua volta da una bobina principale (2) e traferro (7) e una boccola di uscita (14). Notoriamente, la pompa solenoidale (40) presenta internamente un pistone (4); in particolare l?albero del pistone (4) ? inserito in una molla elicoidale secondaria (5) mentre l?estremit? superiore del pistone (4) ? associata a una molla elicoidale principale (3). In prossimit? della boccola di uscita (14) ? presente una camera di compressione (8), una valvola di ingresso (11) dotata di opportuna guarnizione (10) e una valvola di uscita (13) anch?essa dotata di opportuna guarnizione (13). Secondo il trovato oggetto della presente domanda di brevetto, la pompa solenoidale (40) presenta almeno uno mezzo di rilevazione di posizione (18) che determina in tempo reale la posizione degli elementi in movimento durante il funzionamento della pompa stessa. Secondo una opportuna parametrazione della misurazione in tempo reale della posizione degli elementi mobili mediante il mezzo di rilevazione (18) e di seguito descritta, ? pertanto possibile correlare il parametro ?posizione elemento mobile? alla quantit? di liquido pompato dalla pompa (40) e quindi determinarne il valore. In una prima forma preferenziale, ma non esclusiva, il mezzo di rilevazione consta in almeno una bobina (18, Fig 2, Fig 3, Fig 4; Fig 5, Fig 6, Fig 8) integrata nel corpo della pompa solenoidale (40). In particolare, la bobina di rilevamento (18) ? costituita da un avvolgimento di spire isolate realizzate in filo elettricamente conduttivo dette spire essendo coassiali rispetto l?asse principale.
In una seconda forma preferenziale, ma non esclusiva, il mezzo di rilevazione consta in almeno uno sensore di Hall. A seconda delle modalit? realizzative preferenziali, ma non esclusive, di seguito descritte, l?almeno uno mezzo di rilevazione di posizione (18) risulta posizionato in corrispondenza della parte mobile il cui movimento si intende rilevare; il mezzo di rilevazione di posizione (18) avr? pertanto dimensioni, forma e sezione variabili a seconda della superficie esterna del corpo dell?elemento all?interno del quale scorre suddetta parte mobile. Indipendentemente dalle modalit? realizzative preferenziali, ma non esclusive, di seguito descritte, la misurazione della quantit? di flusso di liquido pompato risulta determinata dall?incidenza della variazione della posizione di uno o pi? elementi della pompa sulla riluttanza del circuito magnetico dell?almeno uno mezzo di rilevazione di posizione (18), variandone di conseguenza il valore di induttanza equivalente. Con riferimento a Fig 10, la bobina di rilevamento (18) pu? essere rappresentata da una induttanza Lsense il cui valore ? determinato da
- numero di spire che compongono la bobina (18),
- sezione delle spire,
- lunghezza dell?avvolgimento e
- posizione dell?elemento mobile rispetto alla posizione della bobina (18).
Secondo la rappresentazione schematica riportata in Fig 10, il circuito equivalente riporta anche elementi parassiti aggiuntivi che possono influenzare le propriet? elettriche della bobina quali ?Rs? resistenza elettrica del conduttore, ?Rp? resistenza equivalente rappresentante gli effetti di perdita per correnti parassite nel circuito magnetico, ?Cp? capacit? equivalente rappresentante l?effetto delle capacit? parassite tra le spire.
Secondo il trovato oggetto della presente domanda di brevetto, la variazione di induttanza equivalente della bobina di rilevamento (18) pu? quindi essere direttamente correlata alla posizione dell?elemento in movimento, ad esempio del pistone (4). Secondo il trovato oggetto della presente domanda di brevetto (Fig 11) la trasduzione della variazione di induttanza equivalente della bobina di rilevamento (18) in variazione di frequenza pu? essere realizzata attraverso un oscillatore tipo LC. In particolare, la Fig 11 rappresenta un?implementazione di un circuito oscillatore di tipo LC dove la frequenza caratteristica di oscillazione ? dipendente dai parametri ?induttanza Lsense?, ?C1? e ?C2? dove C1 e C2 sono elementi condensatori di capacit? nota e costante. Come conseguenza di detta implementazione, la variazione della frequenza caratteristica del circuito oscillatore risulta dipendente esclusivamente dalla variazione del parametro ?induttanza Lsense?.
A titolo esemplificativo, si riporta in Tabella 1 un esempio di misura in tempo reale realizzata secondo il trovato oggetto della presente domanda di brevetto in cui risulta evidente la correlazione tra variazione della frequenza del circuito oscillatore di Fig 10 al variare della posizione del pistone nel tempo.
I due grafici riportati si riferiscono a due misure relative a due diverse portate.
Tabella 1
Poich? la quantit? di liquido pompata in un ciclo ? direttamente proporzionale alla corsa del pistone all?interno della camera di compressione, la cui sezione ? nota e costante nel tempo, l?esatta quantit? (valore assoluto) di liquido pompato pu? essere determinata a seguito di una caratterizzazione della posizione in funzione della frequenza, dipendente dalla struttura dimensionale della pompa e dall?esatta posizione dell?elemento di sensing. Nel caso di rilevazione della posizione di parti mobili diverse dal pistone (esempio valvola conica d?uscita) la relazione variazione di frequenza ? quantit? di liquido pompato andr? caratterizzata direttamente in quanto la variazione della posizione di tale parte potrebbe seguite un andamento diverso da quello del pistone.
Descrizione di una prima modalit? realizzativa
Con riferimento a Fig 2, in una prima modalit? realizzativa preferenziale, ma non esclusiva, la almeno una bobina di rilevamento (18) risulta posizionata in corrispondenza della posizione di riposo del pistone (4).
Secondo questa prima modalit? realizzativa la posizione della almeno una bobina di rilevamento (18) corrisponde alla posizione del traferro (7) del circuito magnetico principale della pompa. Secondo questa prima modalit? realizzativa preferenziale, ma non esclusiva, la almeno una bobina di rilevamento (18) posizionata in corrispondenza del traferro del circuito magnetico principale (6 ), rileva il movimento e la posizione del pistone (4), movimentato dall'azione risucchiante della bobina principale (2). Con riferimento a Fig 6, durante la fase di aspirazione il pistone (4) arretra a causa dell?attrazione generata dall' eccitazione della bobina principale (2) caricando la molla elicoidale principale (3); in tale condizione, secondo il trovato oggetto della presente domanda di brevetto il pistone(4) risulta completamente inserito all?interno della almeno una bobina di rilevamento(18). In fase di pompaggio (Fig 8) fase di pompaggio, la bobina principale viene diseccitata (2) e il pistone (4) avanza spinto dalla molla elicoidale principale (3) precedentemente caricata. Il liquido nella camera di compressione (8) ? spinto attraverso la valvola di uscita: il pistone (4) esce dall?area sottostante la almeno una bobina di rilevamento (18). Come evidenziato in Fig 7 e Fig 9, durante la fase di aspirazione (Fig 7) e durante la fase di pompaggio (Fig 9), la diversa posizione del pistone cambia la riluttanza del circuito magnetico della bobina di rilevamento variandone di conseguenza il valore di induttanza equivalente. La variazione di induttanza equivalente della bobina di rilevamento (vedi circuito equivalente semplificato della bobina di rilevamento in Fig. 10) pu? quindi essere direttamente correlata alla posizione del pistone. L?utilizzo di un oscillatore tipo LC come in Fig.11 consente di trasdurre la variazione di induttanza equivalente della bobina di rilevamento (Lsense) in una variazione di frequenza del circuito oscillatore. Pertanto, la quantit? di liquido pompato in un ciclo viene calcolata misurando in tempo reale tali variazioni di frequenza; un esempio di misura in tempo reale ? riportato in Tabella 1.
Descrizione di una seconda modalit? realizzativa
Con riferimento a Fig 3, in una seconda modalit? realizzativa preferenziale, ma non esclusiva, la almeno una
bobina di rilevamento (18) risulta avvolta attorno alla camera di compressione (8) della pompa. Secondo questa seconda modalit? realizzativa preferenziale, ma non esclusiva, la almeno una bobina di rilevamento (18) posizionata in corrispondenza attorno alla camera di compressione (8), rileva il movimento e la posizione del pistone (4), movimentato dall'azione risucchiante della bobina principale (2). Con riferimento a Fig 6, durante la fase di aspirazione il pistone (4) arretra a causa dell?attrazione generata dall' eccitazione della bobina principale (2) caricando la molla elicoidale principale(3); in tale condizione, secondo il trovato oggetto della presente domanda di brevetto la parte a sezione minore del pistone(4) esce dall?area sottostante la almeno una bobina di rilevamento (18).
In fase di pompaggio (Fig 8,9), la bobina principale viene diseccitata (2) e il pistone (4) avanza spinto dalla molla elicoidale principale (3 ) precedentemente caricata. Il liquido nella camera di compressione ? spinto attraverso la valvola di uscita: la parte a sezione minore del pistone (4) risulta completamente/parzialmente inserita all?interno della almeno una bobina di rilevamento(18). Analogamente alla prima modalit? realizzativa durante la fase di aspirazione e durante la fase di pompaggio, la diversa posizione del pistone (4) cambia la riluttanza del circuito magnetico della bobina di rilevamento variandone di conseguenza il valore di induttanza equivalente. La variazione di induttanza equivalente della bobina di rilevamento (vedi circuito equivalente semplificato della bobina di rilevamento in Fig.10) pu? quindi essere direttamente correlata alla posizione del pistone. L?utilizzo di un oscillatore tipo LC come in Fig.11 consente di trasdurre la variazione di induttanza equivalente della bobina di rilevamento (Lsense) in una variazione di frequenza del circuito oscillatore. Pertanto, la quantit? di liquido pompato in un ciclo viene calcolata misurando in tempo reale tali variazioni di frequenza.
Descrizione di una terza modalit? realizzativa
Con riferimento a Fig 4, in una terza modalit? realizzativa preferenziale, ma non esclusiva, la almeno una
bobina di rilevamento (18) risulta avvolta attorno alla camera contenete la valvola conica di uscita (13) della pompa. Secondo questa terza modalit? realizzativa preferenziale, ma non esclusiva, la almeno una bobina di rilevamento (18) posizionata in corrispondenza della valvola conica di uscita (13), rileva il movimento della valvola conica di uscita (13), movimentata dall'azione del liquido spinto dal pistone durante la fase di pompaggio. In fase di pompaggio (Fig 8), la bobina principale viene diseccitata (2) e il pistone (4) avanza spinto dalla molla elicoidale principale (3 ) precedentemente caricata. Il liquido nella camera di compressione ? spinto attraverso la valvola di uscita: la valvola conica di uscita viene spinta dal liquido comprimendo la molla ad essa associata. Analogamente alla prima modalit? realizzativa durante la fase di pompaggio, la diversa posizione della valvola conica di uscita (13) cambia la riluttanza del circuito magnetico della bobina di rilevamento variandone di conseguenza il valore di induttanza equivalente. La variazione di induttanza equivalente della bobina di rilevamento (vedi circuito equivalente semplificato della bobina di rilevamento in Fig. 10) pu? quindi essere direttamente correlata alla posizione della valvola conica d?uscita. L?utilizzo di un oscillatore tipo LC come in Fig.11 consente di trasdurre la variazione di induttanza equivalente della bobina di rilevamento (Lsense) in una variazione di frequenza del circuito oscillatore. Pertanto, la quantit? di liquido pompato in un ciclo viene calcolata misurando in tempo reale tali variazioni di frequenza.
Descrizione di una quarta modalit? realizzativa
Con riferimento a Fig 5, in una quarta modalit? realizzativa preferenziale, ma non esclusiva, le modalit? realizzative precedenti vengono combinate assieme. Secondo questa quarta modalit? realizzativa, le due o tre bobine di rilevamento (18) posizionate in corrispondenza alla posizione del traferro (7) del circuito magnetico principale della pompa, attorno alla camera di compressione (8), attorno alla valvola conica di uscita(13), rilevano il movimento delle corrispondenti parti mobili. Le tre bobine di rilevamento vengono utilizzate come descritto nei primi tre metodi. Combinando le misurazioni ottenute dai tre elementi di rilevamento ? possibile determinare la quantit? di liquido pompato con una maggiore accuratezza.
Claims (11)
1) Sistema per la misurazione del flusso di un liquido in una pompa (40) che presenta una boccola di aspirazione (1) e una boccola di uscita (14) in prossimit? della quale ? presente una camera di compressione (8) e una valvola di uscita (13) , un circuito magnetico principale (6) costituito a sua volta da una bobina principale (2) e traferro (7), detta pompa presentando almeno un elemento che si muove in direzione parallela all?asse principale della pompa (40) detto sistema di misurazione del flusso essendo caratterizzato dal fatto che la pompa (40) presenta almeno uno mezzo di rilevazione (18) atto a determinare in tempo reale la posizione della parte mobile lungo l?asse pincipale durante il funzionamento della pompa (40) stessa.
2) Sistema come da rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la posizione reale del pistone misurata dall?almeno uno mezzo di rilevazione (18) determina il valore dell?intensit? del campo magnetico che lo attraversa detto mezzo di rilevazione (18).
3) Sistema come da rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la posizione dell? almeno uno elemento in movimento determina una variazione sulla riluttanza del circuito magnetico dell?almeno uno mezzo di rilevazione (18) e conseguentemente una variazione della sua induttanza equivalente.
4) Sistema come da rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la variazione dell?induttanza equivalente dell?almeno uno mezzo di rilevazione (18) viene correlata alla quantit? di flusso di liquido pompato dalla pompa (40).
5) Sistema come da rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l?almeno uno mezzo di rilevazione (18) ? costituito da almeno una bobina costituita da un conduttore avvolto in una serie di spire.
6) Sistema come da rivendicazioni 1,2,3,4 caratterizzato dal fatto che l?almeno uno mezzo di rilevazione (18) ? costituito da almeno uno sensore di Hall.
7) Sistema come da rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che l?almeno uno mezzo di rilevazione (18) risulta integrato nel corpo della pompa (40).
8) Sistema come da rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che l?almeno uno mezzo di rilevazione (18) risulta posizionato in corrispondenza della posizione del traferro (7) del circuito magnetico principale della pompa (40).
9) Sistema come da rivendicazioni 1,2,3,4,5 caratterizzato dal fatto che l?almeno uno mezzo di rilevazione (18) risulta posizionato attorno alla camera di compressione (8) della pompa (40).
10) Sistema come da rivendicazioni 1,2,3,4 caratterizzato dal fatto che l?almeno uno mezzo di rilevazione (18) risulta posizionato attorno alla camera contenete la valvola di uscita (13) della pompa.
11) Sistema come da rivendicazioni 1,2,3,4,5 caratterizzato dal fatto che almeno uno mezzo di rilevazione (18) risulta posizionato in corrispondenza della posizione del traferro (7) del circuito magnetico principale, almeno uno mezzo di rilevazione (18) risulta posizionato attorno alla camera di compressione (8) e almeno uno mezzo di rilevazione (18) risulta posizionato attorno alla camera comentente la valvola di uscita (13).
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2020
- 2020-07-23 IT IT102020000017830A patent/IT202000017830A1/it unknown
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