ITMI20120542A1 - Dispositivo di monitoraggio passivo della pressione interna in un blocco di materiale di costruzione - Google Patents
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Description
DISPOSITIVO DI MONITORAGGIO PASSIVO DELLA PRESSIONE INTERNA IN UN BLOCCO DI MATERIALE DI COSTRUZIONE
CAMPO DELL'INVENZIONE
L'invenzione concerne i dispositivi di monitoraggio in strutture edilizie e più in particolare un dispositivo di monitoraggio passivo della pressione interna in un blocco di materiale di costruzione di una struttura edile.
BACKGROUND
Il processo di attuazione di una strategia di rilevamento dei danni e la caratterizzazione di strutture meccaniche à ̈ denominato Monitoraggio Strutturale, o Structural Health Monitoring (SHM). Il danno à ̈ definito come le modifiche al materiale e/o le proprietà geometriche di un sistema strutturale, comprese le modifiche alle condizioni al contorno e la connettività del sistema, che influiscono negativamente sulle prestazioni del sistema. Il processo di SHM implica l'osservazione del sistema meccanico nel tempo utilizzando periodicamente
• misure di risposta dinamica da una matrice di sensori,
• l'estrazione di caratteristiche danni sensibili da queste misurazioni,
• l'analisi statistica di queste caratteristiche per determinare lo stato attuale di salute del sistema (detta anche analisi strutturale).
Attualmente, i sistemi SHM utilizzano sensori situati all’esterno delle superfici da controllare. Ad esempio, nei ponti si utilizzano una serie di sensori (anemometri per calcolare la velocità del vento, accelerometri, estensimetri, trasduttori di movimento, sensori di temperatura, sensori per rilevare il movimento dei pesi, ecc…) situati tutti sulle superfici esterne di travi, cavi o piloni, al fine di:
• stimare gli effetti dei carichi sul ponte,
• valutare lo stato di affaticamento del ponte,
• prevedere la probabile evoluzione del ponte e la sua “vita residua†.
Sono stati progettati dei sistemi SHM con sensori che vengono sepolti nelle strutture stesse da monitorare. Tali sensori (di pressione, umidità , temperatura, ecc.) hanno almeno un'antenna di telealimentazione e di trasmissione per comunicare all’esterno del blocco stesso le misure rilevate. Sensori di tale tipo sono divulgati ad esempio nella domanda di brevetto statunitense US 2004/0153270 e nelle domande di brevetto italiano VA2010A000097 e MI2010A002365.
SOMMARIO
Test eseguiti dalla richiedente hanno mostrato che, nonostante l'accuratezza con la quale venivano realizzati i sensori noti da seppellire nelle strutture da monitorare, si verificava nel tempo un'inaccettabile perdita di precisione delle misure di pressione o addirittura un'interruzione del funzionamento, che di fatto rendevano inutilizzabili i sensori sepolti per il monitoraggio della struttura edile per lunghi periodi.
Studi approfonditi tesi ad identificare la causa di questi malfunzionamenti apparentemente inspiegabili portano a concludere che le connessioni elettriche tra il sensore sepolto e il mondo esterno sono soggette ad un degrado che nel corso degli anni falsa le misure in maniera imprevedibile o può persino impedire il corretto funzionamento del sensore.
Si à ̈ così posto il problema di realizzare un dispositivo di monitoraggio con connessioni protette dalle alte pressioni che si sviluppano nelle strutture edili e con sensori adatti ad essere sepolti a diretto contatto con il materiale di costruzione.
È stato così realizzato un dispositivo di monitoraggio passivo che può essere sepolto all'interno del materiale di costruzione di una struttura edile e che può fornire una misura della variazione delle pressioni interne nella struttura.
Il nuovo dispositivo di monitoraggio comprende una pluralità di condensatori di rilevazione sostanzialmente piani, a diretto contatto con il materiale di costruzione, tra le cui armature à ̈ interposto un materiale dielettrico adatto a deformarsi elasticamente quando soggetto alle pressioni interne che si sviluppano in un manufatto di materiale di costruzione in una struttura edile. Le armature dei condensatori di rilevazione sono collegate a rispettive piste metalliche e le piste metalliche sono annegate in un blocco di materiale dielettrico protetto da un involucro di protezione, preferibilmente di materiale metallico, adatto a resistere senza deformarsi plasticamente alle pressioni che si sviluppano all'interno del materiale di costruzione di una struttura edile, ciascuna coppia di piste metalliche collegando le armature di un rispettivo condensatore di rilevazione a rispettivi terminali di collegamento fuoriuscenti dall'involucro di protezione.
Secondo una forma di realizzazione, le piste metalliche collegate alle armature di uno stesso condensatore corrono nel materiale dielettrico una parallela all'altra a distanza reciproca sostanzialmente costante.
Secondo ancora un'altra forma di realizzazione, le piste metalliche fuoriescono dal materiale di costruzione in modo da formare terminali di lettura del valore dei condensatori esterni alla struttura edile.
Secondo un'altra forma di realizzazione, le estremità libere delle piste metalliche sono accoppiate ad un circuito di lettura del valore di tali condensatori, a sua volta sepolto nel materiale di costruzione e dotato di mezzi di ricetrasmissione dati con il mondo esterno.
L'invenzione à ̈ definita nelle annesse rivendicazioni che sono parte integrante di questa descrizione e qui incorporate per espresso riferimento.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La figura 1 mostra una linea schermata che alimenta un circuito di monitoraggio sepolto in un materiale di costruzione, divulgata nella domanda di brevetto VA2010A000097.
La figura 2 illustra schematicamente un dispositivo di monitoraggio passivo dell'invenzione avente una pluralità di condensatori piani le cui armature sono collegate a rispettive piste metalliche.
La figura 3 Ã ̈ una vista in sezione trasversale del nuovo dispositivo di monitoraggio passivo in cui le piste metalliche sono annegate in un materiale dielettrico ricoperto da uno schermo metallico.
La figura 4 illustra piste metalliche di de-embedding identiche alle piste metalliche collegate ai condensatori di rilevazione di figura 3.
La figura 5 mostra il dispositivo di monitoraggio passivo della figura 3 ed un secondo involucro metallico che contiene piste di de-embedding della figura 3 annegate in un blocco di materiale dielettrico.
La figura 6 mostra il dispositivo di monitoraggio passivo della figura 3 incorporato all'interno di una struttura materiale di costruzione, collegato ad un circuito esterno di lettura del valore dei condensatori sepolti.
La figura 7 mostra il dispositivo di monitoraggio passivo della figura 4 sepolto all'interno di una struttura di materiale di costruzione insieme ad un circuito di lettura del valore dei condensatori sepolti e di ricetrasmissione dati con il mondo esterno.
DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE ESEMPLIFICATIVE
La nuova struttura del dispositivo di monitoraggio passivo della distribuzione di pressione all'interno di un manufatto di materiale di costruzione à ̈ mostrata schematicamente nella figura 2. Il nuovo dispositivo di monitoraggio comprende una pluralità di condensatori piani di rilevazione di pressione C1, C2, ..., Cn sepolti nel materiale di costruzione tra le cui armature à ̈ interposto un materiale dielettrico che si deforma elasticamente alle pressioni tipiche che si sviluppano all'interno di una struttura edilizia. Ciascuna armatura dei condensatori di rilevazione di pressione à ̈ collegata ad una rispettiva striscia metallica. Preferibilmente ma non necessariamente, le piste metalliche di uno stesso condensatore corrono l'una parallela all'altra a distanza reciproca sostanzialmente costante.
Al variare della pressione all'interno del materiale di costruzione, varia anche la pressione sulle armature dei due condensatori e, di conseguenza, la mutua distanza tra esse a causa della deformazione elastica del dielettrico interposto. Ciò causa una variazione della capacità del condensatore, che à ̈ inversamente proporzionale alla distanza tra le armature.
Test sperimentali hanno mostrato che si possono utilizzare elastomeri o anche materiali plastici in grado di deformarsi elasticamente fino a pressioni di 500 atmosfere, per realizzare condensatori piani di rilevazione di pressione soggetti ad una variazione superiore al 60% della loro capacità quando la pressione sulle armature varia da una atmosfera a 500 atmosfere.
Le piste metalliche di connessione delle armature dei condensatori di rilevazione di pressione sono immerse in un materiale dielettrico a sua volta protetto da un involucro di protezione, preferibilmente di metallo, come mostrato in figura 3, adatto ad attenuare le deformazioni elevate che possono aver luogo all'interno di un materiale di costruzione in una struttura edile. Di conseguenza, anche in presenza di rilevanti variazioni della pressione interna nella struttura edile, le piste metalliche di connessione alle armature dei condensatori di rilevazione resteranno integre e subiranno al più deformazioni di tipo elastico.
Per misurare la capacità dei condensatori di rilevazione e quindi la pressione nella struttura edile, si collegherà un circuito di lettura di capacità ai terminali liberi delle piste metalliche di connessione. Tale circuito di lettura misurerà la capacità complessiva di ciascun condensatore e delle piste ad esso collegate. Dato che le piste metalliche sono sepolte nel dielettrico e sono protette da un involucro di protezione idoneo a resistere alle pressioni che si producono nel materiale di costruzione senza deformarsi plasticamente, eventuali variazioni della capacità delle piste saranno trascurabili rispetto alle variazioni di capacità dei condensatori di rilevazione, che invece sono a diretto contatto con il materiale di costruzione.
Con piste metalliche relativamente lunghe, come potrebbe essere il caso in dispositivi di monitoraggio di strutture edili di grandi dimensioni, variazioni di capacità delle piste dovute a deformazioni elastiche potrebbero introdurre inaccettabili errori sistematici di misura. In questo caso, convenientemente il dispositivo di monitoraggio avrà delle piste metalliche di de-embedding non connesse, come mostrato in figura 4, identiche a quelle connesse alle armature dei condensatori di rilevazione. Il valore di capacità di ciascun condensatore di rilevazione sarà quindi ottenuto tenendo conto della capacità delle corrispondenti piste di de-embedding.
Secondo una forma di realizzazione alternativa mostrata in figura 5, le piste di deembedding sono annegate nel dielettrico e racchiuse in un involucro, preferibilmente metallico, distinto da quello in cui sono racchiuse le piste collegate ai condensatori di rilevazione.
Il nuovo dispositivo di monitoraggio passivo della pressione può essere annegato nel materiale di costruzione di una struttura, come mostrato in figura 6. Le estremità libere delle piste metalliche di connessione elettrica alle armature dei condensatori di rilevazione di pressione possono fuoriuscire dal materiale di costruzione ed essere accoppiate ad un circuito di lettura sostanzialmente composto da un multiplexer MUX di accoppiamento ad un'interfaccia seriale-parallelo (SPI) adatta a rilevare i valori delle capacità dei condensatori di rilevazione C1, ..., Cn e a trasferirli in maniera seriale ad un dispositivo in grado di memorizzare tali valori in una memoria dedicata DATA STORAGE.
Secondo un'altra forma di realizzazione mostrata in figura 7, il dispositivo di monitoraggio passivo à ̈ sepolto nel materiale di costruzione insieme al circuito di lettura, comprendente il multiplexer/de-multiplexer MUX e l'interfaccia seriale-parallela SPI. Convenientemente, il circuito di lettura in questo caso sarà provvisto di un'antenna di ricetrasmissione dati anch'essa sepolta nel materiale di costruzione. In questo caso, l'antenna e i blocchi RF-Front-End, SPI, MUX devono essere protetti da un involucro non metallico ed ermetico, rappresentato dal rettangolo tratteggiato in figura 7, per non pregiudicare il corretto funzionamento dell'antenna.
Materiali non metallici idonei per realizzare involucri di protezione sono, ad esempio, PVC, nylon, teflon, plexiglas, gomme.
Materiali che si sono dimostrati particolarmente adatti per realizzare i condensatori di rilevazione C1, ..., Cn sono l'alluminio e il rame. Materiali particolarmente idonei a costituire lo strato dielettrico dei condensatori di rilevazione di pressione sono siliconi, poliesteri e poliuretani.
Claims (9)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di monitoraggio passivo della distribuzione di pressione interna in un blocco di materiale di costruzione di una struttura edile, comprendente: una pluralità di condensatori di rilevazione sostanzialmente piani, adatti ad essere sepolti a diretto contatto con il materiale di costruzione, tra le cui armature à ̈ interposto uno strato dielettrico di materiale adatto a deformarsi elasticamente sopportando le pressioni in detto materiale di costruzione della struttura edile senza deformarsi plasticamente; una pluralità di coppie di piste metalliche annegate all'interno di un materiale dielettrico racchiuso da un involucro di protezione adatto ad essere sepolto in detto materiale di costruzione e a resistere a pressioni in detto materiale di costruzione senza deformarsi plasticamente, ciascuna di dette coppie di piste metalliche collegando le armature di un rispettivo di detti condensatori di rilevazione a rispettivi terminali di collegamento fuoriuscenti da detto involucro di protezione.
- 2. Dispositivo di monitoraggio passivo secondo la rivendicazione 1, in cui le piste metalliche di una stessa coppia corrono in detto materiale dielettrico racchiuso da detto involucro una parallela all'altra a distanza reciproca sostanzialmente costante.
- 3. Dispositivo di monitoraggio passivo secondo la rivendicazione 1, comprendente, per ciascuna coppia di piste metalliche connesse ad un condensatore di rilevazione, una corrispondente coppia identica di piste di de-embedding non collegate ad alcun condensatore di rilevazione, annegate in detto materiale dielettrico racchiuso da detto involucro e aventi terminali di collegamento fuoriuscenti dall'involucro.
- 4. Dispositivo di monitoraggio secondo la rivendicazione 3, in cui dette piste di de-embedding sono annegate in un blocco composto da detto materiale dielettrico racchiuso in un secondo involucro di protezione al di fuori da detto primo involucro, e hanno detti terminali di collegamento fuoriuscenti dal secondo involucro di protezione.
- 5. Dispositivo di monitoraggio passivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un circuito di lettura del valore di detti condensatori di rilevazione accoppiato a detti terminali di collegamento.
- 6. Dispositivo di monitoraggio passivo secondo la rivendicazione 5, in cui detto circuito di lettura comprende: un'interfaccia seriale-parallelo adatta ad effettuare misure di capacità , un multiplexer funzionalmente connesso tra detta interfaccia seriale-parallelo e detti terminali di collegamento in modo da permettere all'interfaccia di misurare la capacità di ciascun condensatore di rilevazione, una memoria di accumulo di misure di capacità , funzionalmente conenssa a detta interfaccia seriale-parallelo.
- 7. Dispositivo di monitoraggio passivo secondo la rivendicazione 6, in cui detto circuito di lettura comprende un'antenna di telealimentazione e ricetrasmissione dati ed à ̈ adatto ad essere sepolto all'interno del materiale di costruzione.
- 8. Dispositivo di monitoraggio secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui le armature di detti condensatori di rilevazione sono di alluminio oppure di rame e i rispettivi strati dielettrici sono di un materiale scelto tra siliconi, poliesteri e poliuretani.
- 9. Dispositivo di monitoraggio secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l'involucro o involucri di protezione sono metallici.
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