ITMI20101839A1 - Dispositivo digitale portatile per la misura della velocita' - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Forma oggetto della presente invenzione un dispositivo portatile per la misura della velocità di un flusso d'aria.

In particolare, in una sua forma preferita la presente invenzione riguarda un dispositivo portatile per la misura della velocità di un utente in movimento.

Sono noti dispositivi di misura della velocità che si basano sulla velocità di rotazione di una ruota o simili, che rotola su un fondo fisso, ad esempio il terreno. Tali apparati richiedono che la ruota rotoli senza strisciare sul fondo fisso.

Sono anche noti apparati di misura di velocità basati sulle variazioni di pressione di un fluido che passa attraverso una strozzatura, i quali non richiedono contatti con un fondo fisso, ma richiedono un complesso dispositivo per convertire la misurazione di pressione eseguita in un segnale visibile aN'utente.

È anche noto dalla domanda di brevetto internazionale WO 2006131954 un dispositivo di misura di velocità che si basa sulla deflessione di una lamina investita dal flusso d'aria associato al movimento. Tale dispositivo risulta particolarmente leggero e versatile, in particolare per l'impiego neN'ambito della pratica sportiva, ma non consente di rilevare e memorizzare più dati di velocità, oltre alla massima velocità raggiunta.

La presente invenzione affronta il problema di realizzare un dispositivo portatile di misura della velocità che risulti leggero e di minimo ingombro e che consenta di rilevare e memorizzare più misurazioni, adattandosi inoltre a diverse condizioni di impiego.

Forma quindi oggetto della presente invenzione un dispositivo portatile di misura di velocità, che comprende un involucro dotato di rispettive aperture di ingresso e di uscita collegate da un passaggio interno a detto involucro; una lamina avente almeno una porzione della sua superficie all'interno di detto passaggio, detta lamina essendo atta a subire una deformazione in presenza di un flusso di aria attraverso detto passaggio; caratterizzato dal fatto che detta lamina à ̈ operativamente associata ad un dispositivo rilevatore della deformazione di detta lamina sotto l'azione del flusso di aria, il quale dispositivo rilevatore della deformazione comprende:

- un elemento generatore di un segnale elettrico di trasduzione della deformazione rilevata in un segnale elettrico corrispondente alla entità della deformazione rilevata stessa,

- un circuito di rilevazione e di elaborazione di detto segnale elettrico ed

- un dispositivo di dispositivo di interfaccia utente per la visualizzazione del segnale rilevato.

Preferibilmente, detto elemento trasduttore à ̈ collegato ad una unità di elaborazione dei segnali che comprende un circuito di condizionamento atto a rilevare detto segnale elettrico, ed un circuito di amplificazione collegato a sua volta al circuito di elaborazione, analogico o digitale. Nel caso il circuito di elaborazione sia digitale, sarà presente un dispositivo di digitalizzazione del segnale ed un successivo dispositivo di elaborazione (detto microcontrollore o microprocessore), oppure un singolo dispositivo a microcontrollore contenente al suo interno anche la parte di conversione analogico/digitale; inoltre il circuito di elaborazione sarà collegato mediante opportuni collegamenti a dispositivi di interfaccia utente.

Preferibilmente il dispositivo di interfaccia utente comprende uno schermo di visualizzazione, atto a visualizzare la misura eseguita, o, in aggiunta o in alternativa, un avvisatore acustico, o una serie di LED colorati e simili.

Preferibilmente, il dispositivo di interfaccia utente comprende un dispositivo di input, atto a consentire all’utente di selezionare una funzione desiderata tra più funzioni previste microprocessore dal circuito di elaborazione.

In una forma di realizzazione preferita, detto elemento trasduttore à ̈ un estensimetro, solidale alla faccia della lamina rivolta verso l'apertura di ingresso, atto ad essere esteso in funzione dell'entità della curvatura della lamina causata dal flusso deH'aria e a modificare in modo corrispondente la sua resistenza elettrica.

In una forma alternativa di realizzazione detto elemento generatore di un segnale elettrico à ̈ un sensore piezoelettrico posto dal lato della lamina opposto rispetto all'apertura di ingresso e vincolato all’involucro, atto ad essere compresso dalla lamina sottoposta all'azione del flusso de aria, generando una corrente correlata al valore della compressione subita.

In una ulteriore forma alternativa di realizzazione detto elemento trasduttore si basa su principi induttivi (come ad esempio LVDT - Linear Variable Differential Transformer), oppure ottici (es. encoder lineari o rotativi), opportunamente collegati alla lamina elastica o eventualmente ad una lamina rigida dotata di un meccanismo di controbilanciamento della pressione applicata sulla lamina stessa dall’azione del vento, ad esempio tramite molla.

Maggiori dettagli potranno essere rilevati dalla seguente descrizione, con riferimento alle figure allegate di alcuni esempi di realizzazione, in cui si mostra:

in figura 1 un disegno in sezione di un dispositivo secondo l’invenzione in una forma di realizzazione;

in figura 2 il dispositivo di figura 1 in vista prospettica;

in figura 3 un disegno in sezione di un dispositivo secondo l’invenzione in una forma alternativa di realizzazione.

Come mostrano le figure 1 , 2 il dispositivo secondo una forma di realizzazione dell’invenzione comprende un involucro 1 , avente rispettive pareti inferiore e superiore, 2, 3, e un bordo laterale sagomato 4, che presenta una apertura di ingresso 5 ed una apertura di uscita 6.

All’interno dell'involucro 1à ̈ presente una lamina elasticamente flessibile 7, vincolata ad un supporto 8 alla sua estremità inferiore 7’.

Le aperture di ingresso e uscita 5, 6 cono collegate da un canale di passaggio 9, al cui interno à ̈ disposta una estremità della lamina 7.

Alla faccia della lamina 7 rivolta verso l'apertura di ingresso 5 Ã ̈ collegato un estensimetro 10, solidale alla lamina stessa.

L'estensimetro 10 (o “strain gauge†) à ̈ un dispositivo le cui proprietà elettriche (in particolare la resistenza) variano con l'estensione.

In presenza di un flusso di aria che entra nel dispositivo attraverso l'apertura di ingresso 5 la lamina subisce una deflessione nella posizione 7, mostrata nelle figure con linea tratteggiata 7’. L’entità della deflessione dipende dalla pressione dinamica esercitata dal flusso dell'aria sulla porzione di lamina esposta al canale, e, in definitiva, dalla velocità del flusso stesso.

La collocazione dell’estensimetro 10 sulla superficie della lamina 7 rivolta verso l’apertura di ingresso 5 fa sì che l’estensimetro stesso risulti esteso in funzione della curvatura della lamina causata dal flusso dell'aria.

L’estensimetro 10 à ̈ collegato ad una unità di elaborazione 11 che comprende un circuito di condizionamento 12 (ad esempio un ponte di Wheatstone), atto a rilevare la variazione di resistenza dell'estensimetro, ed un circuito amplificatore 13 (comprendente uno o più amplificatori operazionali), collegato ad un circuito di elaborazione 14.

Il segnale rilevato dal circuito 12 viene amplificato nel circuito amplificatore 13 in modo da amplificare le variazioni rilevate fino a valori compatibili con la sensibilità del successivo circuito di elaborazione 14 adottato (ad esempio da variazioni di tensione di pochi mV in variazioni di tensione di diverse centinaia di mV).

Nel caso il circuito di elaborazione sia basato su microprocessore, il segnale di tensione viene acquisito mediante convertitore analogico-digitale (ADC) che può essere un elemento separato o incluso nel microprocessore 14 (ad esempio Texas Instrument MSP430f427). Tale microprocessore elabora le informazioni acquisite (ad es. calcolando media e massimo dei dati rilevati in un certo periodo di tempo) ed invia opportune segnalazioni risultanti dalle elaborazioni, ad un dispositivo di interfaccia utente, che comprende uno schermo di visualizzazione 15, ad esempio di tipo LCD, o ad un altro mezzo di visualizzazione, ad esempio un avvisatore acustico, una serie di LED colorati o uno schermo alfanumerico o grafico, preferibilmente collocato sulla parete superiore 2 del dispositivo.

Nel caso il circuito di elaborazione sia digitale, le operazioni del microprocessore 14 sono governate da un suo programma interno (detto firmware), prefissato in base al tipo di elaborazione e di segnalazione o visualizzazione desiderate.

Il dispositivo di interfaccia utente comprende, convenientemente, un dispositivo di input 16 (ad esempio un pulsante o una tastiera), collegato al circuito di elaborazione 14, che consente all'utente di intervenire su tale circuito, ad esempio per selezionare la funzione desiderata tra più funzioni previste (velocità media, massima, periodo di misura etc.), di azzerare la rilevazione, di eseguire una taratura e simili.

Una batteria 17, inserita in un alloggiamento 18, consente di alimentare il circuito 11 e 10 schermo 15 collegato.

Convenientemente, uno sportello rimuovibile 19, preferibilmente dotato di mezzi di tenuta (non illustrati) consente di accedere alla batteria per la sua sostituzione.

Ai fini di consentire l’uso del dispositivo a aperto, in ambienti esposti umidità, all’acqua o alla neve, l’alloggiamento del circuito 11 à ̈ preferibilmente dotato di mezzi di impermeabilizzazione (non illustrati), atti a garantire la protezione del circuito stesso nelle condizioni operative previste.

Sulla parete inferiore 3 dell’involucro del dispositivo sono presenti mezzi di fissaggio (non illustrati) adatti a collegare il dispositivo ad un supporto, ad esempio un laccio per fissare amovibilmente il dispositivo al polso dell'utente.

11 materiale e le dimensioni della lamina 7 (lunghezza, larghezza, spessore) sono selezionati in funzione delle caratteristiche dell'estensimetro 10 e del campo di velocità di cui si intende eseguire la misura.

A titolo indicativo, una lamina di 0,1 mm di spessore in materiale plastico, di lunghezza 45 mm e larghezza 4 mm, esposta al flusso per un tratto di circa 15 mm dalla sua estremità libera (superiore) e vincolata al supporto 8 per circa metà della sua lunghezza, mostra una freccia massima di circa 15 -20 mm nel campo di velocità da 0 a 60 km/h (in assenza di estensimetro). Nel caso che per il buon funzionamento dell’estensimetro si desideri una deformazione inferiore della lamina, potrà essere adottato uno spessore maggiore o un materiale di maggiore rigidezza.

In una forma alternativa di realizzazione, schematicamente illustrata in figura 3, l’estensimetro 10 può essere sostituito da un sensore piezoelettrico. In figura 3 le parti comuni sono riportate con gli stessi riferimenti numerici di figura 1 e 2.

In tale forma di realizzazione, un sensore piezoelettrico (piezoresistivo) 20 à ̈ posto dal lato della lamina opposto rispetto all'apertura di ingresso 5 ed à ̈ vincolato al supporto 8

L'azione meccanica della lamina sottoposta all'azione del vento, comprime la parte sensibile dell'elemento piezoresistivo 20, generando una corrente. Tale corrente viene alimentata ad un circuito 11 a, da cui viene rilevata, amplificata ed elaborata, per inviare opportune indicazioni all’utente, tramite lo schermo e/o i dispositivi di output 15 (analogamente al caso precedente).

In questo caso, essendo rilevato un valore di carico e non una deformazione, la lamina 7 può essere relativamente rigida e presentare una porzione deformabile solamente in prossimità della sua zona di vincolo 7°.

In una forma di realizzazione alternativa, (non illustrata), lo spostamento della lamina 7 sotto l’effetto della spinta del flusso di aria può essere rilevato attraverso un trasduttore di spostamento induttivo, in cui il trasduttore à ̈ realizzato mediante un tubo composto da tre avvolgimenti disposti lungo lo stesso asse e con all'interno un nucleo cilindrico ferromagnetico mobile, caratterizzato da un'alta permeabilità magnetica, in cui allo spostarsi del nucleo, le mutue induttanze degli avvolgimenti cambiano, e di conseguenza il segnale in uscita, proporzionalmente allo spostamento del nucleo, oppure collegando direttamente la lamina 7 ad un potenziometro rotativo o ad altri mezzi di rilevamento dello spostamento o della rotazione della lamina stessa sotto l'effetto della spinta dell'aria.

Per tali realizzazioni, la rigidità della lamina e le relative modalità di vincolo al corpo del dispositivo dovranno essere selezionate in funzione delle caratteristiche dell’elemento sensibile prescelto.

Il dispositivo oggetto dell’invenzione trova conveniente applicazione, in particolare, nel campo delle pratiche sportive.

Infatti il dispositivo secondo l’invenzione risulta adatto a rilevare la velocità dell’utente, ad esempio nel corso di una pratica sportiva in cui l’utente stesso si muova recandolo addosso, o, in altri casi, la velocità del flusso dell’aria, ad esempio a bordo di piccole imbarcazioni a vela, o ancora a rilevare la velocità del movimento di un attrezzo (ad esempio una racchetta da tennis o una mazza da golf), sia in situazioni di allenamento o prova, sia in condizioni agonistiche.

Ciò à ̈ reso possibile dalla piccola dimensione dell'apparecchio e dalla sua minima massa, tale da non influenzare sostanzialmente l’azione dell’utente e da non pregiudicarne quindi l'efficacia dell'azione stessa.

La possibilità di memorizzare le misure rilevate e di osservare, successivamente, le misure eseguite consente di valutare, ad esempio, l'efficacia del gesto eseguito o la prestazione raggiunta, senza necessità di osservare uno strumento nel corso dell’esercizio, oppure, dove ciò sia possibile e conveniente, nel corso dell’attività stessa.

Per ciascuna delle applicazioni, naturalmente, potrà essere selezionata la rigidità della lamina, la sua superficie esposta, la taratura del sensore e così via, sia in base a determinazioni teoriche, sia in base a misure empiriche.

Per ciascuna delle applicazioni prescelte, inoltre, verrà selezionata la configurazione più opportuna del mezzo di vincolo del dispositivo stesso.

Ad esempio, nel caso dell'impiego nell’ambito della pratica dello sci, à ̈ conveniente far uso di una fascia o bracciale, collegato al corpo del dispositivo, attraverso la quale il dispositivo si può vincolare al polso o al braccio dell'utente, in posizione tale da risultare orientato in modo da esporre l'apertura di ingresso 5 al flusso dell’aria nella normale postura assunta dall'atleta nel corso dell'esercizio.

Nel caso di impiego in altre attività, il dispositivo potrà essere vincolato ad altre parti del corpo, ad esempio ad un casco, o ad un attrezzo.

Nel caso di vincolo ad un attrezzo, i mezzi di fissaggio saranno selezionati in relazione alla forma dell'attrezzo stesso, in modo da assicurarne il fissaggio rigido nella posizione tale da esporre l’apertura di ingresso 5 verso il flusso durante il movimento corretto dell'attrezzo stesso.

Ad esempio, i mezzi di fissaggio possono essere costituiti da una fascetta in materiale plastico, serrabile a vite intorno al manubrio di una bicicletta, all'estremità del manico di una racchetta da tennis o in prossimità della massa battente di una mazza da golf, o ancora intorno ad un elemento de armamento di una imbarcazione, ad esempio sartie, boma, etc.

Convenientemente tali mezzi di fissaggio consentono l'applicazione del dispositivo in modo amovibile, così da consentire, ad esempio, una efficace misura della prestazione in fase di allenamento applicando il dispositivo, e la sua rimozione in fase agonistica onde non penalizzare in alcun modo con la sua presenza il gesto sportivo. Oltre alle applicazioni in campo sportivo il dispositivo secondo l'invenzione può essere utilizzato in altri campi tecnici, nei quali la sua precisione, unita alla minima massa ed al ridotto ingombro ne rendono l’impiego particolarmente efficace, ad esempio per rilevare la velocità dell'aria in condotti o intorno a corpi fissi.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di misura di velocità, che comprende un involucro dotato di rispettive aperture di ingresso e di uscita collegate da un passaggio interno a detto involucro; una lamina avente almeno una porzione della sua superficie all’interno di detto passaggio, detta lamina essendo atta a subire una deformazione in presenza di un flusso di aria attraverso detto passaggio; caratterizzato dal fatto che detta lamina à ̈ operativamente associata ad un dispositivo rilevatore della deformazione di detta lamina sotto l’azione del flusso di aria, il quale dispositivo rilevatore della deformazione comprende - un elemento generatore di un segnale elettrico di trasduzione della deformazione rilevata in un segnale elettrico corrispondente alla entità della deformazione rilevata stessa, - un circuito di rilevazione e di elaborazione di detto segnale elettrico ed - un dispositivo di dispositivo di interfaccia utente per la visualizzazione del segnale rilevato.
2. 2. Dispositivo di misura di velocità secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detto elemento generatore di un segnale elettrico à ̈ collegato ad una unità di elaborazione che comprende un circuito di condizionamento atto a rilevare detto segnale elettrico, ed un circuito amplificatore collegato ad un microprocessore, avente una uscita collegata a detto dispositivo di interfaccia utente.
3. 3. Dispositivo di misura di velocità secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di interfaccia utente comprende uno schermo di visualizzazione, atto a visualizzare la misura eseguita.
4. 4. Dispositivo di misura di velocità secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di interfaccia utente comprende un avvisatore acustico.
5. 5. Dispositivo di misura di velocità secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di interfaccia utente comprende una serie di LED colorati.
6. 6. Dispositivo di misura di velocità secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che il dispositivo di interfaccia utente comprende un dispositivo di input collegato al microprocessore, atto a consentire all'utente di selezionare una funzione desiderata tra più funzioni previste del microprocessore.
7. 7. Dispositivo di misura di velocità secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto elemento generatore di un segnale elettrico à ̈ un estensimetro, solidale alla faccia della lamina rivolta verso l'apertura di ingresso, atto ad essere esteso in funzione dell’entità della curvatura della lamina causata dal flusso de aria e a modificare in modo corrispondente la sua resistenza elettrica.
8. 8. Dispositivo di misura di velocità secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto elemento generatore di un segnale elettrico à ̈ un sensore piezoelettrico posto dal lato della lamina opposto rispetto all'apertura di ingresso e vincolato all'involucro, atto ad essere compresso dalla lamina sottoposta all'azione del flusso dell’aria, generando una corrente correlata al valore della compressione subita.
9. 9. Dispositivo di misura di velocità secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto elemento generatore di un segnale elettrico à ̈ un trasduttore di spostamento induttivo.
10. 10. Dispositivo di misura di velocità secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto elemento generatore di un segnale elettrico à ̈ un trasduttore di spostamento ottico.
11. 11. Dispositivo di misura di velocità secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detto elemento generatore di un segnale elettrico à ̈ un encoder lineare.
12. 12. Dispositivo di misura di velocità secondo la rivendica one 10, caratterizzato dal fatto che detto elemento generatore di un segnale elettrico à ̈ un encoder rotativo.