ITMI20101200A1 - Cella di carico con sensori in fibra ottica a reticolo di bragg - Google Patents

Description

“CELLA DI CARICO CON SENSORI IN FIBRA OTTICA A RETICOLO DI BRAGGâ€

DESCRIZIONE

[CAMPO DELL’INVENZIONE]

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per misurare un carico secondo il preambolo della rivendicazione 1.

[ARTE NOTA]

Al giorno d’oggi sono noti dispositivi che consentono di misurare i carichi che agiscono su di essi; che questi dispositivi sono tipicamente denominati “celle di carico†.

Nelle celle di carico elettriche ad estensimetri (la cui resistenza elettrica à ̈ variabile con la deformazione subita) uno o più estensimetri sono applicati ad un elemento elastico, ad esempio una piastra metallica, destinato a ricevere il carico da misurare. Rilevando la variazione di tensione ai capi del circuito dell’estensimetro (tipicamente un ponte di Wheatstone), à ̈ quindi possibile rilevare l’intensità del carico che deforma l’elemento elastico. Un esempio di cella di carico con estensimetri elettrici à ̈ nota dal brevetto US4506557. Queste celle di carico presentano lo svantaggio di essere sensibili ai disturbi elettrici, e pertanto non possono essere utilizzate efficacemente in presenza di campi elettromagnetici importanti come quelli generati da cavi percorsi da alta tensione (nell’ordine di svariate migliaia di volt). Ulteriore svantaggio di queste celle à ̈ che richiedono un’alimentazione. In caso di applicazione in prossimità di alte tensioni diventa pericoloso portare l’alimentazione attraverso un cavo e quindi si fa uso di una batteria, che tuttavia richiede manutenzione.

Queste celle sono poi sensibili ai liquidi conducenti (come l'acqua), che può ossidare o mandare in corto circuito i componenti elettrici della cella stessa. Per questo motivo queste celle sono poco adatte all’uso in ambienti esposti dove può piovere.

Sono inoltre note celle di carico comprendenti sensori in fibra ottica, le quali sfruttano reticoli di Bragg allineati all’asse di misurazione e montati su elementi elastici. Quando l’elemento elastico à ̈ soggetto ad un carico, il reticolo subisce una deformazione uguale a quella dell’elemento elastico; inviando un impulso luminoso e rilevando la variazione della radiazione luminosa riflessa dalla fibra ottica, à ̈ quindi possibile misurare l’intensità del carico che deforma l’elemento elastico. Un esempio di cella di carico monoassiale di tipo ottico à ̈ nota dal brevetto US2007/0107529.

Queste celle di carico ottiche sono insensibili ai disturbi elettrici, tuttavia richiedono che il reticolo subisca una deformazione il più possibile costante lungo la direzione longitudinale.

Al fine di ottenere celle di carico di dimensioni più compatte, à ̈ noto utilizzare dispositivi a forma di S, in cui l’elemento elastico centrale viene sollecitato e deformato da un momento flettente trasmesso da due piastre a cui l’elemento elastico stesso à ̈ vincolato. Un esempio di cella di carico a S à ̈ nota dal brevetto US4565255.

Un esempio di cella di carico di tipo a S comprendente sensori ottici a reticoli di Bragg à ̈ nota dall’articolo scientifico: Chuan Li, Yu Wang, Zhou Wan, Yan Chen, Jiang-Chun Xu, Xiao-Ping Xu, “Fiber Bragg grating weighing sensor of beam with two parallel holes†, Sensors and Actuators A 154 (2009). Questa soluzione comprende due fori trasversali passanti nell’elemento elastico, in cui sono inseriti quattro reticoli di Bragg.

Questa soluzione presenta tuttavia alcuni svantaggi. Per esempio, in questa cella di carico l'incollaggio dei sensori nella zona interna dell’elemento elastico risulta difficoltoso.

[OBIETTIVI E SINTESI DELLA INVENZIONE]

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di presentare un dispositivo che risolva alcuni dei problemi dell’arte nota.

In particolare, à ̈ scopo della presente invenzione quello di presentare un dispositivo per misurare un carico in grado di ottenere una misura con un buon rapporto segnale/rumore, ed avente una ridotta sensibilità ai disturbi, in particolare disturbi elettrici.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di presentare un dispositivo per misurare un carico che sia di dimensioni compatte.

Questi ed altri scopi della presente invenzione sono raggiunti mediante un dispositivo per misurare un carico incorporante le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, le quali formano parte integrante della presente descrizione.

L’idea generale alla base della presente invenzione à ̈ di prevedere un dispositivo per misurare un carico, del tipo cella ad S, comprendente almeno un sensore in fibra ottica (in particolare a reticolo di Bragg) fissato ad una faccia dell’elemento elastico rivolta verso uno dei due elementi destinati a ricevere il carico da misurare. L’elemento elastico à ̈ sagomato in modo tale da subire, per effetto del carico assiale, una deformazione costante in tutta l’area su cui à ̈ fissato il sensore. In particolare, l’elemento elastico viene sagomato in modo tale da avere deformazione costante in un tratto posto lungo l’asse longitudinale della faccia o delle facce che portano il sensore o i sensori.

La particolare conformazione dell’elemento elastico fa si che si possa misurarne in modo efficace e accurato la deformazione mediante una pluralità sensori in fibra ottica a reticoli di Bragg, pertanto sfruttandone le caratteristiche di immunità ai disturbi elettromagnetici, ai liquidi conduttivi e di funzionamento senza alimentazione elettrica.

Vantaggiosamente, la configurazione ad S del dispositivo secondo l’invenzione consente di realizzare una cella di carico di dimensioni compatte e peso contenuto; queste caratteristiche consentono l’applicazione e l’utilizzo del dispositivo anche in condizioni in cui la qualità delle misure sarebbe negativamente influenzata dalla presenza di celle di carico ingombranti.

Preferibilmente l’elemento elastico comprende delle cave di passaggio ricavate sulle due facce rivolte verso gli elementi che ricevono il carico. Queste cave sono tali da alloggiare la fibra ottica e consentono un posizionamento più accurato dei sensori a reticolo di Bragg. In questo modo i sensori si trovano in zone maggiormente protette da contatti accidentali con corpi estranei.

Preferibilmente, gli incavi dell’elemento elastico sono simmetrici rispetto all’asse longitudinale dell’elemento elastico, e preferibilmente anche simmetrici rispetto ad un piano perpendicolare a quest’asse. Vantaggiosamente, questa simmetria genera uno stato di deformazione equilibrato sull’elemento elastico quando il carico à ̈ applicato.

Preferibilmente, gli incavi hanno forma di trapezio isoscele con porzioni raccordate; questo fa sì che le zone a deformazione costante lungo l’asse longitudinale della faccia che reca il sensore siano estese a coprire una grande superficie di dette facce, facilitando l’applicazione dei sensori.

Preferibilmente, il dispositivo comprende quattro reticoli di Bragg disposti a coppie su due facce opposte rivolte verso gli elementi che ricevono il carico, così da misurare quattro rispettive deformazioni. Questo consente di separare i contributi dovuti al carico assiale e al momento flettente applicati al dispositivo, e permette inoltre di compensare le variazioni di temperatura a cui à ̈ sottoposto il dispositivo durante la messa in opera.

Altri scopi e vantaggi della presente invenzione saranno più chiari dalla descrizione dettagliata contenuta nel seguito.

[BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI]

Alcuni esempi di realizzazione preferiti e vantaggiosi della presente invenzione vengono descritti a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento alle figure allegate, in cui:

- La Figura 1 mostra un esempio di realizzazione di un dispositivo per misurare un carico secondo la presente invenzione.

- La Figura 2 mostra una vista laterale del dispositivo per misurare un carico di Figura 1. - La Figura 3 mostra una vista esplosa del dispositivo per misurare un carico di Figura 1. - La Figura 4 mostra due viste di un elemento elastico utilizzabile in dispositivo per misurare un carico secondo la presente invenzione.

- La Figura 5 mostra l’andamento tipico delle deformazioni superficiali dell’elemento elastico di Figura 4 quando caricato.

- La Figura 6 mostra alcuni esempi di realizzazione dell’elemento elastico utilizzato nel dispositivo per misurare un carico secondo la presente invenzione.

- La Figura 7 mostra l’applicazione di celle di carico secondo la presente invenzione ad un pantografo di treno.

Le figure sopracitate illustrano differenti aspetti e forme di realizzazione della presente invenzione; dove appropriato, strutture, componenti, materiali e/o elementi simili, sono indicati da uguali numeri di riferimento in differenti figure.

[DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE] Nell’esempio di Figura 1 viene illustrata una forma di realizzazione di un dispositivo 101 secondo la presente invenzione; nel prosieguo della presente descrizione, il dispositivo viene anche denominato “cella di carico†o più semplicemente “cella†.

La cella 101, mostrata in Figura 1 in configurazione assemblata, comprende due elementi sostanzialmente paralleli: una piastra 102 ed una piastra 103. Le piastre 102 e 103 sono vincolate rigidamente ad un elemento elastico 105 interposto tra di esse; il vincolo rigido viene ottenuto con mezzi che saranno descritti in maggior dettaglio nel seguito. L’elemento elastico 105 à ̈ preferibilmente realizzato in materiale metallico ad elevato carico di scostamento dalla proporzionalità, e preferibilmente resistente agli agenti atmosferici; un materiale con queste caratteristiche può essere l'acciaio inossidabile.

In generale, anche altri elementi della cella di carico, quali le piastre 102 e 103, sono preferibilmente realizzati nello stesso materiale.

La piastra 103 comprende ulteriormente un connettore per fibra ottica 104.

In Figura 2 viene illustrata una vista laterale della cella di carico 101; à ̈ possibile apprezzare in Figura la configurazione del tipo ad S: infatti, la piastra 103 à ̈ vincolata mediante l’incastro 201 ad un’estremità 205a all’elemento elastico 105, mentre la piastra 103 à ̈ vincolata mediante l’incastro 202 all’estremità opposta 205b dell’elemento 205.

Quando la cella di carico à ̈ in esercizio, essa viene vincolata ad una struttura sottoposta ad un carico 203 schematizzato secondo le frecce in figura; la cella di carico 101 à ̈ quindi interposta tra l’elemento che fornisce il carico 203 (non mostrato in figura) e la struttura sottoposta al carico (non mostrata in figura) che fornisce una reazione uguale e contraria al carico 203, caricando quindi le piastre 102 e 103. Il carico 203 à ̈ trasmesso all’elemento elastico 105 mediante gli incastri 201 e 202; in presenza del carico 203 l’elemento elastico 105 risulta pertanto essere sollecitato principalmente a taglio e flessione ed avere uno stato di deformazione conseguente.

In Figura 3 viene illustrata una vista esplosa della cella di carico 101. In questa vista sono mostrati in maggior dettaglio gli elementi già descritti, oltre ad elementi non visibili nella figura precedente. La cella di carico 101 comprende due coppie di viti filettate 301, in cui ciascuna coppia à ̈ utilizzata per unire una delle piastre 102 o 103 all’elemento elastico 105, mediante gli appositi fori svasati 302 e gli appositi fori di giunzione 303 ricavati nell’elemento elastico 105, realizzando quindi gli incastri 201 e 202 descritti in precedenza.

La cella di carico 101 comprende ulteriormente dei grani di sicurezza 304 che vengono fissati alle piastre 102 e 103. I grani 304 hanno una dimensiona tale da sporgere dalle piastre 102 e 103, in modo che quando la cella di carico à ̈ sovrasollecitata e si deforma eccessivamente andando “a pacco†, i grani forniscono una reazione ulteriore al sovraccarico ed evitano danneggiamenti irreparabili fungendo da distanziali di emergenza.

La cella di carico 101 comprende poi dei fori di collegamento 305, ricavati su ciascuna delle piastre 101 o 102, a cui il carico 203 Ã ̈ applicato, consentendo il montaggio della cella in posizione di lavoro.

La cella di carico 101 comprende inoltre almeno un sensore in fibra ottica a reticolo di Bragg (detto in inglese “Fiber Bragg Grating†e spesso riferito mediante la sigla FBG), non mostrato in Figura 3. Questo sensore à ̈ incollato ad una superficie dell’elemento elastico 105 e consente di misurarne la deformazione; proprio l’entità di questa deformazione à ̈ correlabile al carico 203 da misurare a cui la cella di carico 101 à ̈ sottoposta.

Come noto, un reticolo di Bragg à ̈ una struttura ricavata all’interno di una fibra ottica monomodale. All’interno di questa porzione della fibra ottica, viene inciso un reticolo avente un passo tale da riflettere una parte della luce che lo attraversa, in particolare la luce avente lunghezza d'onda pari al doppio del passo del reticolo stesso (tenendo conto dell'indice di rifrazione del vetro). Una deformazione meccanica della fibra ottica produce una variazione del passo del reticolo; pertanto si assiste anche ad una variazione della lunghezza d'onda riflessa. La lunghezza d’onda riflessa può essere misurata tramite opportune centraline di acquisizione connesse alla cella di carico (non mostrate in figura), detti “interrogatori†; la variazione di lunghezza d’onda del picco à ̈ quindi correlata alla deformazione globale del reticolo.

Affinché sia possibile valutare accuratamente la deformazione globale del reticolo, à ̈ necessario che questa deformazione sia il più possibile uniforme lungo tutta la lunghezza del reticolo. In questo modo si assiste ad una traslazione in lunghezza d’onda del picco di luce riflessa dal reticolo, piuttosto che ad una dispersione della luce riflessa su più lunghezze d’onda adiacenti. Qualora queste condizioni ottimali non siano verificate, e anzi ce ne si discosti grandemente, sarebbe possibile perfino assistere ad uno sdoppiamento del picco, che impedirebbe all'interrogatore di effettuare una misura corretta.

La cella di carico 101 comprende almeno una fibra ottica comprendente a sua volta almeno un reticolo di Bragg; questa fibra ottica à ̈ collegata all’interrogatore mediante un cavo di raccordo in fibra ottica; il collegamento può avvenire per esempio mediante un connettore 104 di tipo standard FC con presa ad attacco rapido, in grado di rendere possibile il collegamento della fibra al sensore solo quando necessario.

L’interrogatore (non mostrato) fornisce la radiazione luminosa trasmessa mediante il cavo di raccordo fino ai sensori nella cella di carico 101, e lo stesso interrogatore analizza la radiazione luminosa riflessa dai sensori che ritorna lungo il medesimo cavo di raccordo. In questo modo, non à ̈ necessario alimentare elettricamente la cella di carico 101. L’impiego di sensori in fibra ottica per la cella di carico consente la misura anche in ambienti ostili, poiché questi sensori ottici sono per loro natura meno sensibili ai fattori di disturbo, per esempio dovuti ad elementi atmosferici, quali pioggia. Inoltre le misure sono meno disturbate da effetti transienti di campi elettromagnetici, dovuti per esempio ad archi elettrici nelle vicinanze. Inoltre usando sensori in fibra ottica, non à ̈ necessario interporre un sistema di disaccoppiamento del segnale acquisito tra la zona di misura (per esempio sottoposta a tensioni elettriche) e l’interrogatore, poiché la fibra ottica non à ̈ elettricamente conduttiva. Un medesimo interrogatore, del tipo in commercio, à ̈ in grado di essere connesso ad una pluralità di celle di carico, comprendenti ciascuna una pluralità di sensori in fibra ottica a reticolo di Bragg, consentendo misure contemporanee di più carichi agenti su più celle.

Le caratteristiche della cella di carico 101 descritte finora consentono inoltre un risparmio sui costi di esercizio. Infatti dal momento che la cella di carico 101 à ̈ connessa all’interrogatore mediante un semplice cavo in fibra, e dal momento che non necessita di essere alimentata né da corrente esterna ne mediante batterie, si riducono i costi di installazione e manutenzione della cella di carico 101 in posizione di lavoro. Inoltre risultano essere ridotti anche i costi per la messa in sicurezza, dal momento che la cella 101 non à ̈ elettricamente connessa all’interrogatore e non necessita pertanto di test di verifica di isolamento.

La Figura 4 mostra in maggior dettaglio una vista frontale ed una vista laterale dell’elemento elastico 105, sollecitato a taglio e flessione, a cui sono rigidamente fissati quattro sensori in fibra ottica a reticolo di Bragg 401, 402, 403, 404.

Nella forma di realizzazione di Figura 4, l’elemento elastico à ̈ simmetrico rispetto al piano longitudinale, ossia il piano passante per il baricentro e su cui si ha la proiezione di area massima di una delle due facce di area maggiore. Nell’esempio di Figura 4 il piano longitudinale à ̈ il piano Г parallelo alle due facce rivolte verso le piastre 102 e 103.

I sensori a reticolo di Bragg 401 e 402 sono rigidamente fissati all’elemento elastico 105 sulla faccia rivolta verso la piastra 103, preferibilmente nella porzione centrale 405 disposta lungo l’asse longitudinale 410 di una faccia dell’elemento elastico 105. In questa porzione 405 può preferibilmente essere ricavata una cava, di dimensioni tale da alloggiare precisamente al suo interno la fibra ottica comprendente i sensori (a tal fine la cava può avere larghezza preferibilmente compresa tra 1,05 e 15 volte il diametro della fibra del sensore, ed ancor più preferibilmente compresa tra 2 e 10 volte il diametro della fibra del sensore); i sensori 401 e 402 sono rigidamente fissati (per esempio incollati) sulla superficie della cava 405, seguendo le deformazioni dell’elemento elastico 105 sull’asse longitudinale 410, che possono essere quindi misurate. La cava 405 à ̈ raccordata e prosegue nelle porzioni della cava laterale 406, la cui funzione à ̈ di consentire l’agevole passaggio della fibra ottica in eccesso nelle zone degli incastri 201 e 202. Inoltre, le cave laterali 406 comprendono tratti curvilinei che ripiegano in maniera controllata la fibra ottica, e che consentono di evitare un eccessivo piegamento della fibra ottica stessa, le cui proprietà trasmissive sarebbero altrimenti compromesse.

Sulla faccia opposta dell’elemento elastico 105, rivolta verso la piastra 102 e preferibilmente nella medesima posizione lungo l’asse longitudinale 410, si trovano i sensori a reticolo di Bragg 403 e 404, rigidamente fissati alla superficie dell’elemento elastico 105. Anche i sensori 403 e 404 seguono e consentono di misurare le deformazioni locali dell’elemento elastico 105 e di risalire all’entità del carico che sollecita la cella.

Quando la fibra ottica comprendente i quattro reticoli di Bragg 410, 402, 403, 404 à ̈ collegata all’interrogatore, à ̈ possibile effettuare la lettura contemporanea della deformazione di ciascun sensore in maniera separata; per fare questo, à ̈ necessario che il passo di ciascun reticolo sia sufficientemente diverso dagli altri, in modo da riflettere lunghezze d’onda di picco sufficientemente diverse da essere misurate con accuratezza. In questo modo à ̈ pertanto possibile valutare quattro grandezze di deformazione, da utilizzare separatamente o contemporaneamente per una stima più accurata della sollecitazione dell’elemento elastico 105.

E' possibile ricorrere a diversi metodi per il calcolo delle grandezze di interesse. Un primo metodo molto semplice ipotizza di avere sensori tutti uguali ed egualmente sensibili. Un secondo metodo ricorre all'impiego di matrici di taratura e risulta più accurato e quindi consigliabile.

Ecco una descrizione del primo metodo. Per la disposizione dei sensori indicata in Figura 4, ed indicando con ε la deformazione misurata da ciascun sensore e con SFla sensibilità della cella di carico alla forza agente, à ̈ possibile valutare l’entità della forza F agente sulla cella secondo la seguente relazione:

F = (+ε401– ε402– ε403+ ε404)/SFInoltre à ̈ possibile valutare separatamente il momento flettente Mfagente sulla cella di carico nota la sensibilità SMfdella cella di carico al momento flettente, secondo la seguente relazione:

Mf= (+ε401+ ε402– ε403- ε404)/SMfInoltre, sempre grazie alla composizione delle deformazioni secondo le relazioni precedenti, à ̈ possibile compensare le deformazioni isotrope dell’elemento elastico dovute a variazioni della temperatura di lavoro della cella di carico. La variazione parassita ΔFTdella forza stimata, a causa della temperatura che induce un allungamento isotropo (ossia con deformazione εTcostante) sui quattro sensori, risulta infatti essere pari a zero:

ΔFT= (+εT-401– εT-402– εT-403+ εT-404)/SF= 0 Similmente, grazie al posizionamento di quattro sensori à ̈ possibile avere informazioni ulteriori, seppur con una minore sensibilità, come ad esempio l’intensità della forza trasversale in direzione assiale ai sensori agente sulla cella di carico.

Un secondo metodo permette di ottenere tutte queste grandezze dalla composizione numerica delle quattro misure di deformazione ε grezze, tramite un’opportuna matrice di taratura, definita mediante una procedura numerica di valutazione delle grandezze in uscita dalla cella di carico, quando sottoposta a carichi noti.

Tramite un processo di minimizzazione dell’errore quadratico medio tra il carico applicato ed le deformazioni misurate, in fase di taratura à ̈ possibile definire un insieme di coefficienti KF e KMfper ottenere rispettivamente una stima della forza F e del momento Mf applicati alla cella di carico, del tipo: F = (+KF1*ε401+ KF2*ε402+ KF3*ε403+ KF4*ε404)

Mf= (+KMf1*ε401+ KMf2*ε402+ KMf3*ε403+ KMf4*ε404) Il vantaggio di questo metodo rispetto a quello più semplice risiede principalmente nella capacità di compensare le inevitabili differenze di sensibilità dei sensori e i cross-talk. Con questo metodo à ̈ inoltre possibile imporre che i coefficienti realizzino la compensazione termica sulla stima dei carichi applicati.

Si deve notare come, per la misura della sola componente assiale della forza 203 agente sulla cella di carico 101 di Figura 2 (ovvero, della componente normale al piano dell’elemento elastico 105) potrebbe essere sufficiente anche l’impiego di un solo sensore a reticolo di Bragg, incollato opportunamente su una superficie dell’elemento elastico 105; in questo caso però non sarebbe possibile misurare il momento flettente agente e la cella di carico non sarebbe compensata per variazioni di temperatura. Allo stesso modo, potrebbero essere impiegati un numero qualsiasi di sensori, per esempio 2 o 8, o anche in numero dispari; cionondimeno il numero di 4 à ̈ il più vantaggioso per i motivi sopra esposti.

La cella di carico 101 secondo la presente invenzione comprende un elemento elastico 105 di forma tale da garantire ai sensori in fibra ottica 401, 402, 403, 404 una distribuzione di deformazione adatta per poter essere misurata al meglio, ossia deformazione costante lungo tutta la lunghezza del sensore.

Durante la fase di progettazione della cella di carico, sono state condotte analisi meccaniche mediante l’uso di simulazioni FEM per individuate le forme più vantaggiose dell’elemento elastico 105, in base allo stato di deformazione.

L’elemento elastico 105 comprende due incavi 420 e 421 ricavati lungo i due bordi che collegano le due estremità vincolate 201 e 202 alle piastre 102 e 103. Questi incavi 420 e 421 sulle facce dell’elemento elastico 105 sono tali da garantire uno stato di deformazione a flessione che presenti almeno due zone a deformazione costante lungo l’asse longitudinale 410 di una faccia dell’elemento elastico 105.

La Figura 5 mostra l’andamento tipico delle deformazioni superficiali εsup(indicate mediante la curva 501) su di una faccia dell’elemento elastico 105, su cui sono incollati i sensori a reticolo di Bragg 401 e 402. È possibile apprezzare come, data la particolare forma dell’elemento elastico 105 sottoposto a flessione, la variazione di deformazione 501 à ̈ prevalentemente localizzata nella porzione centrale dell’elemento elastico 105 in cui la sezione resistente à ̈ minima e gli sforzi sono massimi; pertanto la variazione di deformazione 501 à ̈ molto ridotta e quasi trascurabile nelle zone più lontane dal centro dei due incavi 420 e 421.

Proprio nelle zone delle due facce in cui la variazione di deformazione à ̈ limitata, sono inventivamente collocati i sensori a reticolo di Bragg. Ciascuno dei sensori subisce una deformazione quasi costante lungo tutta la sua lunghezza, e si trova nelle condizioni ottimali per effettuare la misura di deformazione lungo l’asse longitudinale 410, ottimizzando anche la qualità della misura del carico a cui la cella à ̈ sottoposta. Infatti, come già descritto in precedenza, i sensori a reticolo di Bragg beneficiano dall’essere collocati in zone in cui la deformazione dell’elemento elastico à ̈ costante su tutta la lunghezza del reticolo.

Sulla faccia opposta dell’elemento elastico 105, si avrà una distribuzione di deformazioni analoga al caso già descritto in Figura 5, in cui le deformazioni avranno lo stesso andamento ma con segno opposto. Anche sulla faccia opposta, pertanto, i sensori 403 e 404 saranno posizionati nelle medesime zone.

Gli incavi 420 e 421 sono preferibilmente simmetrici rispetto all’asse longitudinale 410 di una faccia dell’elemento elastico, e si sviluppano lungo i bordi dell’elemento elastico 105 che collegano le due estremità 205a e 205b vincolate alle piastre 102 e 103. Inoltre, preferibilmente i due incavi 420 e 421 sono simmetrici anche rispetto ad un asse trasversale 411 di una faccia dell’elemento elastico 105. Grazie alla simmetria degli incavi 420 e 421, l’elemento elastico risulta avere uno stato di sollecitazione simmetrico, che vantaggiosamente genera deformazioni simmetriche ed evita disallineamenti in fase di misura.

Gli incavi 420 e 421 comportano una riduzione di sezione resistente dell’elemento elastico 105; in particolare la larghezza dell’elemento elastico lungo l’asse trasversale 411 nella zona compresa tra i due incavi à ̈ minima, e il valore di questa larghezza à ̈ preferibilmente compreso tra 1/2 e 1/10 della larghezza complessiva dell’elemento elastico 105 lungo la medesima direzione trasversale. Ancora più preferibilmente il valore di questa larghezza compreso tra 1/5 e 1/6 di questa larghezza complessiva dell’elemento elastico 105.

Inoltre, preferibilmente gli incavi 420 e 421 occupano almeno il 90% della lunghezza libera dei bordi dell’elemento elastico 105 che collegano le due estremità vincolate. Ancora più preferibilmente, gli incavi 420 e 421 occupano tutta questa lunghezza libera.

La Figura 6 mostra alcuni esempi di realizzazione di un elemento elastico utilizzabile con la cella di carico oggetto della presente invenzione.

Ciascuna delle due facce dell’elemento elastico 601 presenta incavi a forma di trapezio isoscele, privi di raccordo; questi incavi riducono la larghezza trasversale della faccia a circa 1/7 della base maggiore del trapezio isoscele che contiene idealmente ciascuno degli incavi.

Le due facce degli elementi elastici 602 e 604 presentano incavi aventi forma paragonabile a quelli dell’elemento elastico 601; tuttavia si distinguono poiché presentano dei raccordi sugli incavi, aventi raggi di raccordo pari rispettivamente ad 1/8 ed 1/20 della base maggiore del trapezio isoscele che contiene idealmente ciascuno degli incavi.

Le facce dell’elemento elastico 603 presentano incavi maggiormente raccordati rispetto a quelli degli elementi elastici 601, 602 e 604. Il valore dei raggi di raccordo dell’elemento 603 à ̈ pari a circa 1/4 della base maggiore del trapezio isoscele che contiene idealmente ciascuno degli incavi. Nel caso dell’elemento elastico 603, la larghezza trasversale nella zona compresa tra gli incavi à ̈ circa 1/4 della larghezza trasversale complessiva.

Le facce dell’elemento elastico 105, usato come esempio preferito nella precedente descrizione della cella di carico, hanno una larghezza trasversale bella zona tra gli incavi compresa tra 1/5 e 1/6 della larghezza trasversale complessiva dell’elemento elastico; questi incavi hanno un raggio di raccordo di valore compreso tra 1/5 e 1/6 della base maggiore del trapezio isoscele che contiene idealmente ciascuno degli incavi.

Infine, le facce dell’elemento elastico 605 comprendono due incavi semicircolari, aventi un valore del raggio di circa 3/8 la larghezza trasversale complessiva dell’elemento elastico, e pertanto una larghezza trasversale nella zona compresa tra gli incavi pari a circa 2/8 la larghezza trasversale complessiva dell’elemento elastico.

L’andamento delle deformazioni superficiale sulle facce degli elementi elastici illustrati in Figura 6 sarà naturalmente diverso da elemento ad elemento. Tuttavia, grazie alla presenza dei due incavi la differenza risulta, dalle simulazioni FEM, essere molto limitata specialmente nelle zone in cui la deformazione à ̈ costante lungo l’asse longitudinale di una faccia dell’elemento elastico (105). Pertanto, tutte le forme illustrate o loro varianti possono essere vantaggiosamente utilizzate con configurazioni dei sensori a reticolo di Bragg analoghe a quella rappresentata in Figura 4.

Come già detto in precedenza, i sensori a reticolo di Bragg sono preferibilmente fissati lungo l’asse longitudinale di una faccia dell’elemento elastico, nelle zone a deformazione sostanzialmente costante, a meno di variazioni trascurabili (inferiori al 10% della variazione totale della deformazione sull’elemento).

La Figura 7 illustra l’impiego di quattro celle di carico 701 oggetto della presente invenzione, utilizzate per misurare le forze scambiate tra il pantografo 702 di un treno 703 e la catenaria della linea elettrica 704.

In figura sono illustrate una vista laterale ed una frontale della disposizione delle quattro celle di carico 701.

In ambito ferroviario, un ambiente ostile à ̈ costituito dalle componenti in tensione, quali il pantografo 702 per la captazione della corrente elettrica: questo elemento risulta essere sottoposto ad una tensione molto elevata, solitamente compresa tra 1000 V e 25000 V a seconda della tipologia di linea. Un’importante causa di guasti risulta essere legata alla linea aerea 704, che cadendo può interrompere per diverse ore il transito dei convogli; un altro aspetto e quello della corretta captazione tra lo strisciante 705 del pantografo e la catenaria della linea elettrica 704. A causa dell'incremento della velocità dei treni, i fenomeni dinamici di interazione tra pantografo e catenaria assumono sempre maggiore rilevanza e sono oggetto di molti studi.

Questo contesto à ̈ per esempio adatto all’impiego di una o più celle di carico 701 secondo la presente invenzione; naturalmente l’impiego di celle di carico secondo la presente invenzione non à ̈ limitato a questo ambito.

La pluralità di celle di carico 701 à ̈ posizionata tra l’archetto 705 e il pantografo 702, ed à ̈ in grado di misurare la forza che si scarica tra di essi.

Per la misura delle forze di contatto fra pantografo e catenaria, in funzione del tipo di pantografo possono servire due o quattro celle di carico per identificare sia la forza totale scambiata con la catenaria che la posizione del punto di contatto.

Le piastre 102 e 103 della cella di carico possono essere ottimizzate per collegarsi ad una varietà di tipologie di archetti ferroviari in uso sui treni, tramite diverse configurazioni dei fori di attacco 305.

Dal momento che la cella di carico secondo la presente invenzione comprende sensori passivi in fibra ottica, non e necessario fornire alimentazione mediante batterie, che inevitabilmente si scaricano dopo un certo tempo. Pertanto la cella di carico oggetto della presente invenzione à ̈ ideale nel caso di impiego per il monitoraggio a lungo termine di pantografi ferroviari, dove non e possibile un intervento agevole, se non durante la manutenzione del locomotore.

La cella di carico può essere progettata in base ai carichi usualmente in esercizio su un pantografo ferroviario, e avere per questi valori di forze una vita a fatica infinita.

I valori per cui una cella di carico può essere progettata, per impiego ferroviario, sono tipicamente:

· Forza misurabile a fondo scala: ±500 N (valori superiori sono possibili e misurabili, ma non consigliabili nell'utilizzo a lungo termine) · Rumore spettrale equivalente: 0.064 N/√Hz (con un interrogatore con risoluzione di 1 pm) · Prima frequenza di risonanza 250 Hz (range di utilizzo da 0 Hz a 80 Hz)

· Compensazione termica nella misura di forza assiale e momento flettente

È chiaro che à ̈ possibile ottenere valori maggiori o minori, semplicemente ingrandendo o rimpicciolendo in proporzione le dimensioni la cella di carico; oppure mediante l’impiego di forme e spessori diversi per l’elemento elastico, oppure modificando opportunamente il materiale dell’elemento elastico stesso.

Nuove forme e tipologie di celle di carico oggetto della presente invenzione saranno poi sottoposte a taratura, per ricavare la matrice di sensibilità da cui estrapolare il valore delle forze a cui la cella à ̈ sottoposta, mediante la misurazione della deformazione dei reticoli di Bragg, come descritto in precedenza.

E’ chiaro che molte varianti sono possibili all’uomo esperto del settore senza per questo fuoriuscire dall’ambito di protezione quale risulta dalle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, una possibile variante consiste nella variazione dello spessore dell'elemento elastico 105 in aggiunta alla variazione di forma delle due facce mediante incavi, come descritta.

Inoltre, in luogo di un solo elemento elastico, sarebbe possibile interporre tra le piastre una pluralità di elementi elastici.

Un’altra possibilità consiste nel ricavare, in aggiunta agli incavi, dei fori nelle facce dell’elemento elastico, dove questi fori sono tali da modificare ulteriormente lo stato di sforzo e deformazione dell’elemento elastico.

Inoltre, à ̈ possibile pensare di migliorare la protezione meccanica dei sensori interni alla cella di carico, inserendo quest’ultima in una struttura chiusa, anche di materiale plastico.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per misurare un carico, comprendente un primo elemento (103) ed un secondo elemento (102) atti a ricevere un carico, un elemento elastico (105) interposto tra detto primo elemento (103) e detto secondo elemento (102), e vincolato a detti primo e secondo elemento (103, 102) mediante due estremità (201, 202) tra loro opposte, in modo tale da permettere la deformazione a flessione di detto elemento elastico (105) quando detto carico à ̈ applicato a detto primo elemento (103) o a detto secondo elemento (102), ed almeno un sensore (401,402,403,404) in fibra ottica fissato ad una superficie di detto elemento elastico (105) per misurare una deformazione di detto elemento elastico (105), caratterizzato dal fatto che detto almeno un sensore à ̈ fissato ad una faccia di detto elemento elastico (105) rivolta verso uno tra detto primo (103) e detto secondo (103) elemento, detto elemento elastico essendo sagomato in modo tale che, applicando detto carico a detto primo elemento (103) o a detto secondo elemento (102), detta faccia subisce una deformazione sostanzialmente costante lungo tutta la lunghezza di detto almeno un sensore.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detto sensore à ̈ fissato lungo l’asse longitudinale di detta faccia.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto elemento elastico presenta due incavi (420, 421) posti sui bordi che collegano dette due estremità (201, 202).
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detto elemento elastico (105) à ̈ tale che una sezione presa su di un piano ortogonale all’asse longitudinale (410) dell’elemento elastico à ̈ minima nella porzione di detto elemento elastico (105) compresa tra detti due incavi (420, 421).
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui la larghezza di detta faccia à ̈ compresa tra un mezzo ed un decimo, e preferibilmente tra un quinto ed un sesto, della larghezza massima di detta faccia.
6. 6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 5, in cui detti incavi (420, 421) sono simmetrici rispetto all’asse longitudinale (410) di detto elemento elastico.
7. 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 6, in cui detti incavi (420, 421) sono simmetrici rispetto ad un piano ortogonale all’asse longitudinale di detto elemento elastico.
8. 8. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 3 a 7, in cui le proiezioni di detti incavi (420, 421) su detta faccia hanno forma di trapezio isoscele.
9. 9. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 3 a 7, in cui le proiezioni di detti incavi (420, 421) su detta faccia hanno forma di poligono sostanzialmente uguale ad un trapezio isoscele in cui gli angoli compresi tra la base minore e i lati sono smussati.
10. 10. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui detto almeno un sensore comprende quattro elementi in fibra ottica a reticolo di Bragg (401,402,403,404), detti quattro elementi essendo disposti a coppie su due facce opposte di detto elemento elastico (105), in modo tale da misurare quattro rispettive deformazioni di detto elemento elastico (105) quando viene applicato detto carico.
11. 11. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10, in cui detta faccia comprende una cava laterale (406) posta in corrispondenza di una di dette due estremità (201, 202) e comprendente almeno un tratto curvilineo di larghezza tale da alloggiare detta fibra ottica.
12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, in cui detta faccia comprende una cava longitudinale (405) disposta lungo l’asse longitudinale (410) di detta faccia e raccordata a detta cava laterale (406), detta cava longitudinale (405) essendo atta ad alloggiare detto almeno un sensore (401, 402, 403, 404), detta cava longitudinale avente preferibilmente larghezza compresa tra 1,05 e 15 volte, ed ancor più preferibilmente compresa tra 2 e 10 volte la larghezza di detto almeno un sensore (401, 402, 403, 404).
13. 13. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto elemento elastico à ̈ simmetrico rispetto ad un piano longitudinale.
14. 14. Uso di un dispositivo per misurare un carico secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13 per misurare la forza scambiata tra il pantografo (702) di un treno e la catenaria di una linea elettrica (704).
15. 15. Uso di un dispositivo per misurare un carico secondo la rivendicazione 14, in cui detto dispositivo à ̈ posizionato tra detto pantografo (702) e l’archetto (705) di detto pantografo.
16. 16. Treno comprendente un pantografo ed un dispositivo per misurare la forza scambiata tra detto pantografo (702) e la catenaria di una linea elettrica (704), detto dispositivo essendo un dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 13.