ITMO20000219A1 - Apparecchiatura per misurare variazioni dimensionali indotte su corpida variazioni di temperatura - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

annessa a domanda di breveto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo APPARECCHIATURA PER MISURARE VARIAZIONI DIMENSIONALI INDOTTE SU CORPI DA VARIAZIONI DI TEMPERATURA.

Forma oggeto del presente trovato un’apparecchiatura per misurare variazioni dimensionali di corpi indotte su di essi da variazioni di temperatura.

In modo specifico, ma non esclusivo, esso trova utile applicazione come dilatometro

Compito di questi strumenti è quello di misurare la variazione dimensionale (lineare) di un campione o provino al variare della temperatura.

Il provino viene posto all’interno di un forno, generalmente tubolare, nel quale viene fata variare la temperatura in modo controllato.

Le variazioni dimensionali del provino al variare della temperatura vengono rilevate appunto da strumenti chiamati dilatometri che possono differire gli uni dagli altri sia per il sistema di riscaldamento del provino che per il sistema di misura delle variazioni dimensionali.

I metodi di misura delle variazioni dimensionali sono di tipo meccanico, elettronico o ottico, mentre i sistemi di riscaldamento sono quasi sempre elettrici ad irraggiamento.

Nei dilatometri cosiddetti meccanici il provino è posto materialmente a contatto con un sistema di leve che amplifica ogni piccola variazione dimensionale registrandola direttamente su di un foglio con un pennino.

Nei dilatometri elettronici il provino è a contatto con una astina di materiale refrattario che trasferisce le variazioni dimensionali ad un dispositivo elettronico che converte lo spostamento in un segnale elettrico tramite un trasformatore differenziale. Il segnale elettrico viene poi amplificato e trasformato in un grafico tramite un sistema di registrazione.

II dilatometro ottico misura le variazioni dimensionali tramite un raggio di luce che viene deflesso da uno specchietto collegato al campione sotto misura tramite una leva meccanica.

Utilizzando un raggio laser è possibile eseguire la misura utilizzando il metodo di Abbe (interferometria ottica), che raggiunge una risoluzione pari alla lunghezza d’onda della luce utilizzata.

Una recente innovazione nel settore della dilatometria è costituita dalla possibilità di eseguire la misura della variazioni dimensionali senza toccare il provino, semplicemente osservandolo con una telecamera ad alta definizione. In questo modo è possibile eseguire misure su campioni allo stato semiliquido o anche liquido.

Nella maggioranza dei casi il provino all’intemo del forno si trova a contatto con un sistema di misura che inevitabilmente è soggetto a deformazioni che influenzano la misura e, nella totalità dei casi, è a contatto con un supporto che, subendo importanti variazioni dimensionali nel corso della misura, necessariamente la influenza. E’ quindi sempre necessario eseguire una taratura dello strumento che si concretizza nella esecuzione di una misura con un campione a dilatazione nota, per registrare le deviazioni dalla linea di zero prodotte dalla dilatazione dello strumento stesso.

Nel caso dei dilatometri meccanici od elettronici, dove il provino è collocato in un porta campioni di materiale refrattario e le variazioni dimensionali sono rilevate da una astina di materiale refrattario, la situazione che si viene a creare è abbastanza complessa, in quanto tutti gli elementi del sistema di misura sono soggetti a dilatazioni termiche. Il risultato di questa complessa somma di dilatazioni diverse può far sì che la dilatazione del sistema di misura sia dello stesso ordine di grandezza della dilatazione del provino sotto esame. Naturalmente la dilatazione del sistema di misura deve poi essere sottratta a quella del provino sotto esame, e questa operazione può essere fatta sia in modo automatico che manuale. Queste operazioni di taratura del sistema di misura devono essere ripetute di frequente perché l’invecchiamento dei materiali ne fa cambiare le caratteristiche termomeccaniche, per cui è necessario eseguire una procedura standard di controllo ad intervalli prestabiliti.

Capita spesso, infatti, che lo stesso materiale dia valori di dilatazione diversi se misurato con strumenti diversi, a causa del fatto che la procedura di calibrazione non è stata eseguita nello stesso modo.

Anche nel caso dei dilatometri ottici senza contatto il problema della calibrazione dello strumento rimane invariato, in quanto anche se il provino non viene toccato dal sistema di misura deve pur sempre essere sostenuto da un sistema di supporto che ne garantisca il perfetto posizionamento all’interno della camera del forno. Anche questo sistema di supporto è soggetto a dilatazioni termiche che devono essere misurate e sottratte a quelle del provino nel corso della prova.

Tutto ciò è fonte di forti incertezze delle misure la cui attendibilità è piuttosto aleatoria e richiede sempre un’estrema cautela nell’esecuzione.

Scopo del presente trovato è quello di ovviare ai limiti ed alla manchevolezze della tecnica nota.

Esso infatti risolve radicalmente i problemi connessi con la dilatazione del sistema di misura e/o del sistema di supporto del provino, eliminando virtualmente la onerosa necessità di eseguire una curva di taratura.

L’impiego del trovato risulta ancor più evidente nel caso di effettuazione di misure di latometriche di tipo dinamico, ovvero quando si deve misurare il comportamento termomeccanico del provino in esame facendo variare in modo continuo la temperatura.

In questa situazione infatti con la tecnica nota è necessario eseguire la taratura del sistema di misura molto più di frequente.

Nel caso poi che sia necessario seguire il comportamento termomeccanico del campione sotto esame in condizione di forte gradiente termico, diventa necessario eseguire una curva di taratura ogni volta, con lo stesso ciclo termico che deve essere impiegato per la prova.

Con i dilatometri noti si utilizzano generalmente gradienti termici da 5 a 20 C°/min. Gradienti inferiori richiederebbero infatti troppo tempo, mentre gradienti superiori non garantiscono la ripetibilità della prova.

Oggi, tuttavia, in campo industriale si raggiungono gradienti termici molto superiori, per cui esiste una forte richiesta di test termomeccanici eseguiti ad elevato gradiente di riscaldamento.

11 nuovo dispositivo proposto consente di realizzare in modo economico ed efficace un sistema di misura termomeccanico completamente esente dagli errori provocati dal sistema di supporto e di misura anche e in particolare per elevati gradienti di riscaldamento.

Il trovato risulta inoltre anche molto meno sensibile alle vibrazioni, rispetto ai sistemi tradizionali.

Un ulteriore vantaggio del nuovo ritrovato è la totale assenza di parti in movimento nel sistema di misura. Infatti una volta assemblato e calibrato non è soggetto a usura o a deterioramento, al contrario invece dei sistemi meccanici o elettronici noti, che richiedono lavorazioni meccaniche di grande precisione su parti metalliche in movimento che sono soggette ad usura.

Questi scopi e vantaggi ed altri ancora vengono tutti raggiunti dal trovato in oggetto cosi come esso risulta caratterizzato dalle rivendicazioni sotto riportate.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente ritrovato meglio appariranno dalla descrizione dettagliata che segue di una forma preferita, ma non esclusiva, di realizzazione del trovato medesimo, illustrata a titolo puramente esemplificativo, ma non limitativo, nelle allegate figure in cui:

la figura 1 ne mostra una schematica vista parzialmente sezionata in elevazione verticale;

la figura 2 mostra, in scala ingrandita e completamente sezionata, una parte di figura 1.

Con riferimento alle menzionate figure, con 1 si è indicata una base di appoggio per un corpo o provino 2 sul quale deve essere eseguita una indagine dilatometrica cioè una misura (curva) delle variazioni dimensionali indotte sul provino medesimo sottotposto , con una certa legge, a riscaldamento (o raffreddamento).

L’apparecchiatura comprende inoltre due sistemi ottici 3 e 4, individuanti due percorsi ottici collocati ad una prestabilita distanza reciproca nota, in grado di focalizzare, con ingrandimento prestabilito, le immagini delle due estremità del detto corpo o provino 2 disposto sulla base d’appoggio 1.

I sistemi ottici 3 e 4 sono disposti allineati con la base d’appoggio 1 cosi che il primo possa inquadrare un’estremità del provino e il secondo l’altra estremità.

Ai due sistemi ottici 3 e 4 è posteriormente associato almeno un dispositivo di visione e misura 7 in grado di raccogliere le immagini focalizzate dai sistemi ottici stessi i quali sono disposti in modo che i relativi percorsi ottici siano paralleli.

La base 1 nonché il corpo o provino 2 su di essa appoggiato sono alloggiati aU’intemo di un forno 5, di forma sostanzialmente tubolare, il quale è strutturato in modo da lasciare perfettamente visibile ai sistemi ottici 3 e 4 il corpo o provino 2 disposto sulla detta base 1 e in particolare due estremità del provino che definiscono la dimensione che viene misurata.

L’illuminazione del provino è attuata da una sorgente luminosa 6 che è collocata in posizione diametralmente opposta ai sistemi ottici 3 e 4 rispetto alla base 1 e che ha il compito di illuminare per contrasto il provino 2.

In particolare i sistemi ottici 3 e 4 comprendono: .

un filtro per raggi infrarossi, per eliminare la componente infrarossa emessa dal corpo o provino 2 quando si trova ad alta temperatura;

un filtro neutro ad bassa trasmi danza, per mantenere costante il contrasto in tutto l’intervallo di temperatura;

un obbiettivo costituito da un doppietto acromatico a lunga distanza focale con la funzione di prelevare l’ immagine dentro al forno 5 e trasferirla su un dispositivo di ingrandimento;

un’ottica microscopica di ingrandimento, che preleva l’immagine dall’obbietivo e la restituisce ingrandita su un dispositivo di visione e misura.

Normalmente è anche impiegato un sistema di prismi per convogliare l’immagine nella porzione prevista del detto dispositivo di visione e misura che è costituito da un dispositivo elettronico di visione e misura

Quest’ultimo può essere costituito da un sensore CCD interlacciato oppure da un sensore a scansione progressiva oppure da un qualsiasi sistema di digitalizzazione dell’ immagine.

Mediante il trovato è eseguibile un procedimento per misurare variazioni dimensionali indotte su un provino da variazioni di temperatura che prevede:

la predisposizione di un provino 2 sulla base di appoggio 1 collocata aU’intemo di un forno 5 (in modo che il provino si visibile dall’esterno su entrambe le proprie estremità);

l’impiego dei due sistemi ottici 3 e 4, individuanti due percorsi ottici collocati ad una prestabilita distanza reciproca nota, in grado di focalizzare, con ingrandimento prestabilito, le immagini delle due estremità del detto corpo o provino 2;

l’impiego del detto dispositivo di visione e misura 7 in grado di raccogliere le immagini focalizzate dei detti sistemi ottici 3 e 4 e di rilevare la distanza relativa tra le due immagini;

la determinazione della effettiva distanza tra le due estremità del provino sulla base della detta distanza relativa tra le due immagini e della distanza tra i detti due percorsi ottici.

Il provino può essere illuminato in modo che ne siano visibili entrambe le estremità.

Un modo per ottenere ciò consiste nel posizionare il provino 2 in modo verticale sulla base d’appoggio 1 all’intemo del forno tubolare 5, oppure disponendolo orizzontalmente in senso trasversale.

I due sistemi ottici 3 e 4 consentono di definire due percorsi ottici paralleli in grado di focalizzare le immagini delle due estremità del provino sotto esame.

L’ingrandimento dell’immagine può essere spinto fino al limite della risoluzione ottica, inquadrando così soltanto pochi centesimi di millimetro sia dell’estremità superiore del provino che della estremità inferiore appoggiata sulla base di appoggio 1.

Conoscendo il fattore di ingrandimento e la distanza tra i due percorsi ottici si può determinare la lunghezza effettiva del solo provino con estrema precisione.

Una volta posizionato il provino 2 da esaminare all’interno del forno 5 è quindi sufficiente inquadrarne una estremità con uno dei sistemi ottici e inquadrarne l’altra o la base con l’altro sistema ottico. La differenza relativa tra le due immagini sommata alla distanza tra i due percorsi ottici costituisce la misura della lunghezza del campione, con una risoluzione uguale alla lunghezza d’onda della luce impiegata. Operando in luce bianca filtrata si può raggiungere una risoluzione di 0,5 μm.

Le misure realizzate in corrispondenza di forti variazioni di temperatura sono totalmente indipendente dalla influenza delle variazioni medesime sul sistema di appoggio del provino.

Infatti se, ad esempio nel caso di posizionamento del provino in verticale sulla base di appoggio 1, la base di appoggio 1 medesima subisce degli spostamenti a causa di vibrazioni meccaniche o a causa della sua propria dilatazione termica, il sistema ottico sottrae automaticamente dalla misura gli spostamenti della base di appoggio, rendendo la misura esente da derive termiche o deviazioni provocate dal sistema di misura.

Utilizzando questo nuovo ritrovato per eseguire misure termomeccaniche non è più necessario preoccuparsi della calibrazione del sistema di misura in funzione del ciclo di riscaldamento.

Qualsiasi spostamento della base di appoggio del provino viene rilevato in modo ottico e senza contatto e viene sottratto alla misura eseguita sull’altra estremità, sempre in modo ottico e senza contatto.

L’unica calibrazione necessaria riguarda l’ingrandimento del sistema ottico, che deve essere accuratamente eseguito in fase di assemblaggio delle parti ottiche. Dopo di questo, dal momento che non ci sono parti in movimento in tutto il sistema di misura, non è mai più necessario eseguire una calibrazione del sistema di misura.

La realizzazione pratica del sistema ottico a doppio raggio può essere eseguita in diversi modi, a seconda delle esigenze della misura e della dimensione del provino.

Per migliorare ulteriormente le caratteristiche di affidabilità del ritrovato è previsto convogliare le immagini delle due estremità del provino 2 tramite i prismi 8, sullo stesso sensore CCD, in modo da eliminare eventuali differenze di fabbricazione possibili se si utilizzano due CCD diversi.

Ovviamente al trovato potranno essere apportate numerose modifiche di natura pratico-applicativa dei dettagli costruttivi senza che per altro si esca dall'ambito di protezione dell'idea inventiva come sotto rivendicata.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura per misurare variazioni dimensionali indotte su corpi da variazioni di temperatura, caratterizzata per il fatto che comprende: una base di appoggio (1) per il corpo o provino (2); almeno due sistemi ottici (3) e (4), individuanti due percorsi ottici collocati ad una prestabilita distanza reciproca nota, in grado di focalizzare, con ingrandimento prestabilito, le immagini delle due estremità del detto corpo o provino (2); detti sistemi ottici (3) e (4) essendo disposti allineati con la detta base d’appoggio (1); almeno un dispositivo di visione e misura (7) in grado di raccogliere le immagini focalizzate dei detti sistemi ottici (3) e (4).
2. 2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 , caratterizzata per il fatto che i detti percorsi ottici sono paralleli.
3. 3. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato per il fatto che la detta base (1) nonché il detto corpo o provino (2) sono alloggiati all’interno di un forno (5) il quale è strutturato in modo da lasciare visibile ai detti sistemi ottici (3) e (4) almeno il detto corpo o provino (2) disposto sulla detta base (1).
4. 4. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 3, caratterizzata per il fatto che comprende una sorgente luminosa (6) che è collocata in posizione diametralmente opposta ai detti sistemi ottici (3) e (4) rispetto alla base (1) e al corpo o provino (2) su di essa appoggiato e che ha il compito di illuminare per contrasto il detto corpo o provino (2).
5. 5. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 4, caratterizzata per il fatto che i detti sistemi ottici (3) e (4) comprendono: un filtro per raggi infrarossi, per eliminare la componente infrarossa emessa dal corpo o provino (2) quando si trova ad alta temperatura; un filtro neutro ad bassa trasmittanza, per mantenere costante il contrasto in tutto rintervallo di temperatura; un obbiettivo costituito da un doppietto acromatico a lunga distanza focale con la funzione di prelevare Pimmagine dentro al forno (5) e trasferirla su un dispositivo di ingrandimento; un’ottica microscopica di ingrandimento, che preleva Pimmagine dalPobbietivo e la restituisce ingrandita su un dispositivo di misura.
6. 6. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 5 , caratterizzata per il fatto che comprende un sistema di prismi per convogliare Pimmagine nella porzione prevista del detto dispositivo di visione e misura.
7. 7. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 6 , caratterizzata per il fatto che il detto dispositivo di visione e misura è costituito da un dispositivo elettronico di visione.
8. 8. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 7 , caratterizzata per il fatto che il detto dispositivo elettronico di visione è costituito da un sensore CCD interlacciato.
9. 9. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 8 , caratterizzata per il fatto che il detto dispositivo elettronico di visione è costituito da un sensore a scansione progressiva.
10. 10. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 8 , caratterizzata per il fatto che il detto dispositivo elettronico di visione è costituito da un sistema di digitalizzazione dell’immagine.
11. 11. Procedimento per misurare variazioni dimensionali di corpi indotte su di essi da variazioni di temperatura, caratterizzato per il fatto che comprende; la predisposizione di un provino (2) su una base di appoggio (1) collocata all<'>interno di un forno (5) in modo che il provino si visibile dall’esterno su entrambe le proprie estremità; Timpiego di due sistemi ottici (3) e (4), individuanti due percorsi ottici collocati ad una prestabilita distanza reciproca nota, in grado di focalizzare, con ingrandimento prestabilito, le immagini delle due estremità del detto corpo o provino (2); Timpiego di almeno un dispositivo di visione e misura in grado di raccogliere le immagini focalizzate dei detti sistemi ottici (3) e (4) e di rilevare la distanza relativa tra le due immagini; la determinazione della effettiva distanza tra le due estremità del provino sulla base della detta distanza relativa tra le due immagini e della distanza tra i detti due percorsi ottici.
12. 12. Apparecchiatura e procedimento per misurare variazioni dimensionali di corpi indotte su di essi da variazioni di temperatura secondo le rivendicazioni precedenti e secondo quanto descritto ed illustrato con riferimento alle figure dei disegni allegati e per gli scopi sopra citati.