ITMI962761A1 - Sistema di controllo di elettrovalvole azionate a modulazione in larghezza di impulsi - Google Patents

Description

Descrizione di un brevetto d'invenzione

La presente invenzione si riferisce ad sistema di controllo delle elettrovalvole azionate a modulazione in larghezza di impulsi (segnali PWM) e comprendenti una sede di tenuta, un organo otturatore o di tenuta, mezzi elastici agenti su tale organo otturatore che tendono a mantenere tale organo sulla sede di tenuta, ed un solenoide che, se eccitato, allontana in contrasto ai mezzi elastici l'organo otturatore dalla sede di tenuta.

Il sistema è del tipo in cui gli impulsi di apertura della elettrovalvola sono forniti da un microcontrollore o simile, il quale modula in ampiezza la larghezza di tali impulsi in funzione della portata di fluido (in generale gas combustibile) , che attraversa la valvola e che è desiderata dall'utenza.

L'organo di tenuta presenta alla sua estremità destinata a cooperare con la sede di tenuta una parte elastomerica. Quando il solenoide viene diseccitato la molla porta violentemente l'organo di tenuta contro la relativa sede. In questa fase la parte elastomerica viene quindi ad assorbire tutta l'energia cinetica posseduta dal relativo organo di tenuta a seguito della spinta della molla e l'urto contro la sede di tenuta è tale da produrre nel tempo deformazioni permanenti del materiale elastomerico che limitano la durata di vita utile della elettrovalvola, specialmente quando sono richieste commutazioni frequenti come è il caso del suo pilotaggio mediante segnali PWM.

Nella domanda di brevetto italiano MI95A001856 depositata l '01/09/95 a nome della stessa richiedente viene proposto un sistema per rimediare a tale inconveniente. Secondo tale noto sistema una forza antagonista alla molla viene applicata all'otturatore in movimento verso la sede di tenuta per ridurre l'energia d'urto tra l'organo di tenuta e la relativa sede. Secondo questo noto sistema si prevede un circuito di retroazione che porta l'informazione relativa all'inizio del moto dell 'attuatore ad un microprocessore per gestire la forza frenante.

Tale noto sistema elimina (o riduce) l'effetto dell'urto o impatto contro la sede, ma con la previsione dell'impiego di apposito circuito di retroazione. Non consente però di smorzare l'organo otturatore anche nella fase di apertura con conseguenti: fastidiosi rumori quando esso organo perviene con impatto a fine corsa di apertura, vibrazioni e quindi rumori indotti sulle strutture collegate alla valvola e mancanza di perfetta linearizzazione del controllo della portata (cioè portate che non aumentano linearmente con l'aumentare del ciclo utile, (duty cycle).

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema che consente non solo di migliorare i risultati ottenuti con la soluzione nota, ma anche di conseguire risultati nuovi eliminando da un lato rumori e vibrazioni sia in fase di apertura che di chiusura e ottenere dall'altro una perfetta linearizzazione della portata .

Questo scopo oltre ad altri che meglio risulteranno dalla descrizione dettagliata che segue vengono raggiunti da un sistema conforme alle rivendicazioni annesse.

L'invenzione sarà meglio chiarita dalla seguente descrizione dettagliato fornita a puro titolo esemplificativo e quindi non limitativo di una sua preferita forma di realizzazione, illustrata nell'annesso disegno, in cui:

la pag.l mostra in sezione schematica una nota elettrovalvola a cui a titolo di esempio, sono applicati sia mezzi per determinare gli impatti a fine corsa dell'organo otturatore, e che mezzi di rilevamento della portata di fluido;

la fìg. 2 mostra il circuito di pilotaggio della valvola;

la fig. 3 mostra l'andamento nel tempo dei segnali in corrispondenza di punti specifici indicati nelle precedente figure e relativi al pilotaggio della valvola secondo modalità convenzionali ;

la fig. 4 mostra l'andamento della portata in funzione del ciclo di lavoro di una valvola pilotata in modo convenzionale;

la fig. 5 mostra l'andamento nel tempo degli stessi segnali di cui alla fig- 3 relativi al sistema di pilotaggio secondo l'invenzione:

la fig. 6 mostra l'andamento della portata in funzione del ciclo di lavoro e una valvola pilotata con il sistema dell'invenzione.

Le valvole interessate dall'invenzione, una delle quali è schematizzata in fig. 1, sono dispositivi di intercettazione a due stati (aperto/chiuso). Esse comprendono (fig. 1) un corpo 1 provvisto di un ingresso 2 ed una uscita 3. Nel corpo 1 è presente una sede di tenuta 4 atta ad essere intercettata da un organo di tenuta 5 in materiale elastomerico o simile.

Tale organo 5 è solidale ad un nucleo mobile 6 (ed i due costituiscono l'organo mobile della valvola) e su di esso agisce, in un senso, una molla di ritorno 7 per portarlo contro la sede di tenuta 4 ed ottenere lo stato normalmente "chiuso" della valvola a riposo. Il nucleo mobile 6 è montato scorrevole in un solenoide o bobina 7A stazionario, la cui eccitazione determina l'allontanamento, in contrasto alla molla, dell'organo di renuta 5 e quindi lo srato di "aperto" della valvola in condizioni operative. La bobina o solenoide 7 della elettrovalvola è connessa (fig. 2) ad una sorgente di tensione continua Vd ed in serie ad un interruttore statico 8 esemplificativamente rappresentato da un transistore con emettitore a massa. La base del transistore 8 è connessa attraverso un resistore RB ad un microprocessore nP che in funzione di segnali d'ingresso che gli pervengono attraverso una o più linee K pilota il transistore 8 e quindi la valvola con i segnali PWM (impulsi modulati in larghezza), il cui fattore di utilizzazione (duty cycle) dipende dal o dai segnali che pervengono dalla o dalle linee K.

A puro titolo di esempio, alle linee K possono pervenire segnali correlati alla posizione di una manopola (non rappresentata) su cui l'utente agisce per modificare la portata del gas, che attraversa la valvola e che è destinata ad un convenzionale bruciatore di un piano di cottura o cucina a gas.

A titolo di esempio per verificare il comportamento funzionale della valvola vengono adottati i seguenti dispositivi di laboratorio: a) un accelerometro C posto a contatto del corpo 1 della elettrovalvola;

b) un diodo emettitore all'infrarosso 10 connesso ad una sorgente di tensione continua VDC ed in serie ad un resistore RA. Il diodo emettitore è posto nel condotto di entrata della valvola anche se nel disegno è riprodotto all'esterno per motivi di semplicità rappresentativa.

c) un dispositivo ricevitore all'infrarosso 11 connesso alla sorgente VDR attraverso un registratore Re. Il dispositivo ricevitore 11 è posto nel condotto di uscita della valvola anche se nel disegno è riprodotto all'esterno per motivi di semplicità rappresentativa.

Dai punti A e D del circuito di fig. 2 vengono prelevati segnali. Altri segnali vengono prelevati (fig. 1) dall'accelerometro C e dal punto B del circuito relativo al dispositivo ricevitore all'infrarosso .

Per il sistema convenzionale di gestione della elettrovalvola, questi quattro segnali sono riprodotti in funzione del tempo nella fig. 3 e sono identificati con le stesse lettere di riferimento. In particolare, il segnale B è inversamente proporzionale alla apertura della valvola; infatti, a valvola aperta si ha il massimo passaggio di radiazione infrarossa attraverso la valvola stessa per cui l'impedenza del dispositivo ricevitore 11 è bassa e basso è il segnale B. Tale segnale B è viceversa alto a valvola chiusa quando nessuna radiazione infrarossa perviene al dispositivo ricevitore 11. I tratti B1 e B2 della curva B rappresentano rispettivamente lo stato chiuso e quello aperto. Il segnale A rappresenta il segnale PWM (segnale modulato in larghezza) applicato all'interruttore statico 8 ed è quindi il segnale di pilotaggio della valvola (ovvero della sua bobina) . Quando è alto (tratti A1) l'interruttore statico conduce e quindi viene comandata l 'eccitazione della bobina 7A conseguente apertura della elettrovalvola ed il mantenimento in tale stati dello stessa (va infatti considerato che la valvola richiede un tempo seppur brevissimo per portarsi da uno stato all'altro) . Quando è basso (tratti A2) l'interruttore statico è in interdizione, la bobina 7A si diseccita e la valvola si porta in posizione di chiusura e mantiene tale stato fino al nuovo impulso Al. Il segnale C è quello ottenuto dall 'anelerometro, il quale misura la "accelerazione" generata dall'impatto a fine corsa sia di apertura che di chiusura dell'organo mobile (5+6) della valvola. Dall'esame del segnale C si rilevano due fatti: il primo che vi sono notevoli picchi in coincidenza dei punti di fine corsa di apertura della valvola (picchi indicati con C1) e dei punti di fine corsa di chiusura (picchi indicati con C2), picchi che sono significativi dell'impatto o urto dell'organo mobile (5+6) della valvola contro la sede di tenuta 4 ovvero contro il corpo 1 attraverso la molla compressa 7. Si nota pure che il susseguirsi di picchi decrescenti di minore intensità, che seguono i picchi anzidetti sia in fase chiusura che di apertura, indica che si hanno sensibili vibrazioni. E gli impatti o le vibrazioni sono significativi della rumorosità della valvola e delle strutture che a questa sono collegate.

La curva D esprime l'andamento del segnale in coincidenza dell'interruttore statico 8. I tratti DI e D2 rispettivamente rappresentano tale andamento nelle fasi di chiusura ed in quelle di apertura della valvola, mentre i rimanenti tratti indicano il segnale a valvola aperta e chiusa. In altre parole, i tratti DI e D2 rappresentano lo scarico ed il carico della bobina.

Con la valvola gestita con il sistema noto, si ottiene inoltre attraverso misure di portata (valori riportati sulle ordinate in funzione del ciclo utile (duty cycle) espresso in %) la curva non lineare riprodotta in fig. 4, dalla quale si può rilevare che alle basse percentuali (fino a circa il 25%) del duty cycle la portata non è lineare e presenta un massimo relativo, in Z. Ciò significa, nel caso di impiego della valvola per la regolazione della portata del gas ad un bruciatore, l'impossibilità dì regolare con la dovuta precisione la fiamma di quest'ultimo specie alle basse potenze termiche.

Secondo il sistema dell'invenzione, inteso a ridurre decisamente i rumori, le vibrazioni e la non linearità della portata in funzione del duty cycle, si prevede in un certo qual senso di modulare le fasi di apertura e chiusura della elettrovalvola, cioè di moto del relativo organo mobile (5+6), pilotandone la bobina o solenoide tramute idonei interventi frenatori.

Nella fase di chiusura della valvola una successione o treno d'impulsi determinano interventi attivi della bobina o solenoide 7A tali da opporsi all'azione della molla di richiamo 7, mentre nella fase di apertura, in cui la bobina 7A è eccitata tale treno o successione di impulsi vengono per così dire "ritagliati" dal segnale alto PWM; tale treno o sucessione di impulsi determina con gli intervalli tra un impulso e l'altro una riduzione della forza di attrazione della bobina o solenoide e quindi consentono alla molla 7 dì esercitare una maggior azione di contrasto quindi di frenatura.

Quanto sopra esposto è ulteriormente chiarito in appresso facendo riferimento alle fig. 5 e 6. In particolare, le curve di fig, 5 rappresentano i segnali in funzione del tempo, ottenuti dai punti A, B,C,D, di fig. 1 e 2, ma con l'adozione del sistema di pilotaggio dell'invenzione. Nella fig. 5 tali segnali sono identificati con le stesse lettere ma con l'aggiunta di asterisco (cioè A* ,B*,C* ,D*) per differenziarle appunto dai segnali ottenuti dagli stessi punti con il sistema di pilotaggio tradizionale e riprodotti nella fig. 3.

Dal confronto tra le fig. 3 e 5 si ricava: a) che il segnale B* sostanzialmente coincide con quello B, fatto salvo effetti di smorzamento a cui sono associate leggere variazioni dei fronti di solita e discesa del segnale

b) che nettamente diversi sono i segnali A ed A*.

Il segnale A* guando è alto (A1*) è composto da due parti distinte, una di "APERTURA" della valvola e la successiva di valvola "APERTA".

Nella parte "APERTURA" il segnale comprende o è formato da una successione o treno d'impulsi T (che possono essere di eguale o diversa durata) ritagliata del segnale alto PWM. In questo esempio è di preferenza l'impulso iniziale TI ad avere una maggiore durata dei successivi T che possono essere eguali. Nel caso del segnale tradizionale B non sussiste invece una differenziazione tra le due parti ed è tutto "alto" ciò significando che la bobina 7A è sempre attiva al massimo in presenza di tale segnale. L'invenzione prevede quindi di ridurre l'effetto motorico della bobina 7A mediante il treno o successione di impulsi che determina con gli intervalli Δ tra i singoli impulsi T momenti di assenza del segnale di pilotaggio dell'interruttore statico 8 e quindi in pratica di alimentazione della bobina 7A. La conseguenza è che in tali momenti l'azione della bobina è maggiormente contrastata dalla molla 7 e che viene posta in atto una azione che frena il moto dell'organo mobile (5+6) della valvola e, come comprova l'assenza di picchi e oscillazioni nel segnale accelerometrico C*, l'assenza di impatti e rumori all'apertura della valvola.

Con il passaggio dallo stato alto a quello basso del segnale PWM A* inizia la fase di "Chiusura” e di mantenimento in chiusura della valvola. Nella soluzione tradizionale, tale fase è individuata dai tratti A2 che sono sostanzialmente piatti. Nella soluzione inventiva, invece tale fase {A2*) è suddivisa in due parti, una di "CHIUSURA" della valvola ed una piatta, successiva di mantenimento in chiusura.

La parte di "CHIUSURA" è contrassegnata da una successione o treno d'impulsi P (eguali o diversi per durata) che operano in senso tale da eccitare la bobina 7A così che questa contrasta l'azione di chiusura che la molla 7 esercita sulla valvola. Come comprova il segnale accelerometrico C*, le vibrazioni (fonti di rumore) vengono decisamente ridotte anche in fase di chiusura rispetto alla soluzione tradizionale di cui alla fig. 3.

Il segnale D* si differenzia nettamente da quello D per la modulazione introdotta dai treni d'impulsi T e P (sia imposti che ritagliati).

Dal raffronto tra le fig. 4 e 6 risulta inoltre che con l'invenzione la portata della valvola è funzione lineare del duty cycle invece di essere non lineare nell'intervallo tra 20% e 25% del duty cycle del sistema tradizionale.

I treni d'impulsi ed il loro formato saranno forniti dal microprocessore nP implementato sulla base di dati sperimentalmente ottenuti per ciascun tipo di valvola, ad esempio, per un dato valore del duty cycle.

E' evidente che è possibile pilotare l'interrutore statico in modo tale che l'andamento della corrente che percorre la bobina abbia quello che è riprodotto in D* della fig. 5, cioè in modo "analogico" .

E' altrettanto evidente che nell'ambito dell'invenzione rientra la soluzione in cui la molla porta in apertura la valvola e la bobina porta la stessa in posizione di chiusura.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI sistema controllo elettrovalvole comandate a modulazione in larghezza di impulsi (segnali PWM), in cui la fase di chiusura della elettrovalvola è frenata da segnali di pilotaggio inviati all'elettrovalvola stessa da un microprocessore, caratterizzato dal fatto che anche l'apertura della elettrovalvola è frenata da altri segnali di pilotaggio.
2. 2- Un sistema secondo la rivendicazione 1. caratterizzato dal fatto che sia i segnali di pilotaggio che tali altri segnali di pilotaggio comprendono treni o successioni d'impulsi imposti al o ritagliati dal segnale PWM.
3. 3- Un sistema secondo le rivendicazioni precedenti, in cui ad ogni stato alto dei segnali PWM l'elettrovalvola si apre in una prima fase e si mantiene aperta in una seconda fase e in cui ad ogni stato basso dei segnali PWM si chiude in una prima fase e si mantiene chiusa, caratterizzato dal fatto che nella prima fase in cui la valvola si apre viene applicato un treno o successione d'impulsi ritagliato dal segnale alto PWM, gli intervalli di tempo tra impulso ed impulso di tale treno o successione portando, allo stato basso, il segnale PWM per la durata di tali intervalli frenando l'apertura della valvola, mentre un altro treno o successione di impulsi viene sovrapposto allo stato basso del segnale PWM durante la prima fase in cui la valvola si chiude frenando la chiusura della valvola.
4. 4. Un sistema secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui i segnali PWM ed i treni d'impulsi sono forniti da un microprocessore ed applicati ad un interruttore statico posto in serie alla bobina.