ITMO20070275A1 - Dispositivo interruttore induttivo di programmazione per applicazioni in ambienti speciali - Google Patents

Description

Descrizione di Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo:

“DISPOSITIVO INTERRUTTORE INDUTTIVO DI PROGRAMMAZIONE PER APPLICAZIONI IN AMBIENTI SPECIALI”.

DESCRIZIONE

Il presente trovato ha per oggetto un dispositivo interruttore induttivo di programmazione per applicazioni in ambienti speciali, particolarmente per l'utilizzo come pulsante in ambienti ostili o sterili.

Sono noti dispositivi interruttori adatti ad essere utilizzati in ambienti ostili, quali ambienti in cui le parti elettriche sono soggette ad atti vandalici, o a fenomeni di corrosione, o a contatti con gas o liquidi. Tali interruttori noti sono tipicamente utilizzati come pulsanti di programmazione per le apparecchiature per le quali, secondo le normative di riferimento, si deve ricorrere solamente a custodie ad elevato grado di protezione (ad esempio, EP69K) oppure realizzate in materiali speciali, come acciaio inossidabile e simili.

In particolare, sono noti dispositivi interruttori a prova di vandalismo, resistenti alla corrosione o a tenuta di gas e/o liquidi che sono costituiti da un corpo scatolare realizzato in genere in acciaio e, per garantire la tenuta tra le parti mobili, come il pulsante associato all'interruttore, utilizzano degli anelli di materiali speciali.

Altre soluzioni prevedono l’uso di una membrana flessibile come parte del corpo esterno e la flessibilità residua di questa membrana è utilizzata per attivare un interruttore meccanico sensibile posto vicino alla superficie interna; in questo caso la membrana deve essere di materiale speciale e deve, comunque, essere saldata al resto del contenitore.

Questi dispositivi interruttori di tipo noto non sono scevri di inconvenienti, tra i quali va annoverato il fatto che prevedono parti mobili, che, dunque, richiedono speciali accorgimenti per garantirne la tenuta ai liquidi e/o ai gas presenti nell'ambiente operativo.

Inoltre, questi dispositivi interruttori di tipo noto presentano tempi di vita relativamente brevi, essendo le parti mobili e i mezzi di tenuta soggetti a rapida usura in condizioni di utilizzo ostili.

Inoltre, il dispositivo interruttore così ottenuto presenta elevati costi di costruzione derivanti essenzialmente dai mezzi di tenuta che necessitano di essere costituiti da materiali speciali e dalla generale complessità della costruzione.

Altre soluzioni usano principi capacitivi o ottici, ma queste soluzioni non possono lavorare attraverso una parete di metallo e sono relativamente immuni allo sporco bagnato.

Nel brevetto statunitense n. US 5,648,719 è stato proposto un interruttore che prevede una cavità realizzata in un corpo scatolare, nella quale è inseribile un utensile metallico di attivazione deH'interruttore. In particolare, tale interruttore è formato da un magnete e da un elemento magneticamente sensibile tra i quali è interposta la cavità. L'inserimento dell'utensile metallico aH'intemo della cavità intercetta il flusso magnetico tra il magnete e l'elemento magneticamente sensibile, attivando il dispositivo interruttore. Anche questa tipologia di dispositivi interruttori di tipo noto presenta alcuni inconvenienti. In particolare, la cavità praticata nel corpo scatolare, necessaria per l'attivazione/disattivazione del dispositivo interruttore, è sede di accumulo di liquidi e sporco, che in condizioni stazionarie di utilizzo possono determinare variazioni accidentali del campo magnetico tra il magnete e l'elemento magneticamente sensibile con conseguente anomalia nel funzionamento del dispositivo stesso.

Altro inconveniente è che lo sporco o i liquidi accumulabili nella cavità possono portare ad un deperimento per corrosione, in certi ambienti di lavoro, delle pareti della cavità stessa.

Compito precipuo del presente trovato è quello di eliminare gli inconvenienti sopra lamentati della tecnica nota, escogitando un dispositivo interruttore utilizzabile in ambienti speciali che abbia un'elevata affidabilità di funzionamento, indipendentemente dalle condizioni ambientali in cui si trova.

Nell’ambito di tale compito tecnico, uno scopo del trovato è quello di ottenere un dispositivo interruttore che presenti elevata resistenza meccanica e chimica, e che non presenti superfici di discontinuità o avvallamenti profondi.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di assolvere i compiti precedenti con una struttura semplice, a ridotto numero di componenti, di relativamente facile attuazione pratica, di sicuro impiego ed efficace funzionamento, nonché di costo relativamente contenuto.

Questo compito e questi scopi vengono tutti raggiunti dal dispositivo interruttore induttivo di programmazione secondo il trovato, il quale comprende un componente induttivo ed un contenitore nel quale è alloggiato il componente induttivo in prossimità di una parete del contenitore, il componente induttivo essendo collegato ad un circuito elettronico di valutazione atto a rilevare variazioni di parametri del componente induttivo dovute all'approssimarsi di un oggetto metallico alla parete. Il circuito di valutazione, o un circuito di controllo ad esso collegato, è adatto a rilevare ed identificare una predefinita sequenza di avvicinamento ed allontanamento dell’oggetto metallico rispetto a detta parete e a modificare i propri parametri funzionali a seconda di tale sequenza, eventualmente generando un segnale di azionamento dipendente da tale sequenza da inviare ad un’apparecchiatura collegata al circuito di valutazione. La sequenza può comprendere una o più coppie di movimenti di avvicinamento/allontanamento dell’oggetto metallico rispetto a detta parete.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente trovato risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di dettaglio di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un dispositivo interruttore, illustrata a titolo indicativo, ma non limitativo, nelle unite tavole di disegni in cui:

la figura 1 è una vista in sezione assiale di un generico sensore di forma cilindrica in cui si evidenzia il dispositivo interruttore induttivo di programmazione secondo il trovato;

la figura 2 è una vista in esploso del dispositivo di figura 1;

laT figura 3 è una sezione trasversale del componente induttivo del dispositivo di figura 1 ;

la figura 4 è un primo circuito di valutazione collegato al componente induttivo del dispositivo secondo il trovato;

la figura 5 è un secondo circuito di valutazione collegato al componente induttivo del dispositivo secondo il trovato;

la figura 6 è uno schema a blocchi di un sensore che utilizza il dispositivo di programmazione secondo il trovato;

la figura 7 è uno schema a blocchi del sensore di figura 6, che utilizza un cacciavite elettronico per la trasmissione di impulsi magnetici.

Con particolare riferimento a tali figure, si è indicato globalmente con 1 un dispositivo interruttore induttivo di programmazione secondo una particolare forma di realizzazione. Il dispositivo 1 comprende un contenitore 2 nel quale è alloggiato un componente induttivo 3 che viene isolato dall'ambiente circostante mediante il contenitore 2 ed eventualmente mediante almeno una connessione 4 a tenuta di gas o liquidi tra il contenitore 2 ed altri elementi di un'apparecchiatura alla quale il dispositivo 1 è associato. A seconda delle applicazioni, Γ apparecchiatura può essere eventualmente alloggiata nel medesimo contenitore 2 del componente induttivo 3.

Il contenitore 2 può essere realizzato in acciaio (ad esempio, AISI 316L) o in plastica o in altri materiali adatti al particolare ambiente in cui il dispositivo 1 viene disposto.

Il componente induttivo 3 comprende almeno una bobina 5 avvolta su o in un nucleo ferromagnetico 6 che, nella forma di realizzazione preferita dell' invenzione illustrata nelle figure, e di tipo olla ("pot-core") ed è in ferrite, normalmente utilizzata nei sensori di prossimità induttivi.

La realizzazione con la bobina 5 avvolta in un nucleo olla consente di avere un'ottima sensibilità, ma l'invenzione produce buoni risultati anche con bobine SMT non schermate di tipo commerciale, utilizzate normalmente per alimentatori a commutazione.

Il componente induttivo 3 è disposto in prossimità di una parete 7 del contenitore, di spessore ridotto (compreso, ad esempio, tra 0.3mm e 0.7mm) o comunque adatto ad evitare di schermare completamente il campo elettromagnetico generato dalla bobina 5.

La parete 7 può comprendere, sulla superficie esterna, un opportuno indicatore 8 della posizione del componente induttivo 3, collocato preferibilmente in corrispondenza dell'asse della bobina 5 e del nucleo ferromagnetico 6.

L'indicatore 8 applicato sulla superficie esterna può essere visivo o tattile, ad esempio un'etichetta, un punto colorato o un solco. Nelle figure 1-2 l'indicatore è un solco di profondità 0.2mm, che consente di rilevare agevolmente lo stelo di un cacciavite 10 in acciaio di diametro 3mm appoggiato sul solco, nonché di posizionare agevolmente tale stelo nel punto di massima sensibilità. La scarsa profondità del solco, in combinazione con la natura induttiva del componente 3, impediscono di fatto degradazioni di prestazioni dovute ad eventuale accumulo di sporco nella zona di massima sensibilità.

Il contenitore 2 comprende ulteriormente una scheda elettronica 9 fissata internamente al contenitore, alla quale è collegato elettricamente il componente induttivo 3, mediante i

scheda 9 è adatta a supportare, in modo da mantenerlo in stretta vicinanza alla parete sottile 7 del contenitore, il componente induttivo 3 che, nella particolare forma illustrata in figura 3, è fissato alla scheda 9 mediante saldatura dei terminali 5 a e 5b .

La scheda elettronica 9 può comprendere un circuito di valutazione 11 del segnale proveniente dalla bobina 5 del componente induttivo. Tale circuito può essere alternativamente disposto in posizione remota, ad esempio internamente all' apparecchiatura attivabile mediante il dispositivo interruttore 1, e in questo caso la scheda elettronica 9 può comprendere unicamente le necessarie piste di collegamento al circuito di valutazione. Nelle figure 4 e 5, alle quali si farà indifferentemente riferimento qui di seguito, sono rappresentati due possibili circuiti di valutazione montati sulla scheda elettronica 9, rispettivamente nelle versioni a pMOS e a nMOS, indicati con lo stesso numero di riferimento 11.

Nel circuito 1 1, la bobina 5 del componente induttivo 3 è accoppiata ad un condensatore in modo da formare un risonatore LC, contenente eventualmente un resistore di perdita Rp. La frequenza del risonatore può scegliersi relativamente bassa, ad esempio 75kHz, in modo da ottenere una buona trasparenza al campo magnetico di un contenitore 2 in acciaio. L'induttanza della bobina 5 e la capacità del condensatore C possono essere scelti di 213μΗ e 22nF, rispettivamente.

Il risonatore LC è disaccoppiato dal resto del circuito mediante un opportuno condensatore Cd che, assieme ad un corrispondente resistore Rd, definisce una costante di tempo Cd/Rd, che influenza la costante di tempo smorzamento risonatore. Nell'esempio delle figure 4 e 5, il condensatore Cd ha una capacità di 33nF, mentre il resistore Rd ha una resistenza di 330kQ.

Il circuito di valutazione 11 comprende ulteriormente un microcontrollore P (o un ASIC), collegato al risonatore LC mediante gli elementi disaccoppiatori Cd e Rd. Il microcontrollore P comprende un elemento di commutazione interno M, che nelle figure 4 e 5 è, rispettivamente, un MOSFET p ed un MOSFET n, ed è adatto a generare impulsi di eccitazione per il risonatore LC e ad analizzare l'oscillazione smorzata del segnale generato dal risonatore.

L'elemento di commutazione interno M, eventualmente dotato di un resistore Rin di protezione di ingresso, è pilotato da un generatore di impulsi di tensione Vg ed è in grado di commutare la corrente necessaria per ottenere l'ampiezza desiderata di oscillazione, ad esempio 25mA.

Eventualmente, se l'elemento di commutazione interno M non è un generatore di corrente, un ulteriore resistore Re esterno al microcontrollore P viene collegato tra l'elemento M ed il disaccoppiatore Cd-Rd, in modo da definire l'energia di eccitazione.

Il microcontrollore P può comprendere ulteriormente diodi di protezione Dinl e Din2, che tuttavia possono avere un effetto di limitazione dell'oscillazione se il voltaggio eccede i valori di alimentazione Vdd o Vss (con Vdd-Vss=5V nel particolare esempio illustrato). In questo caso, per evitare una riduzione della sensibilità del dispositivo 1, si può utilizzare il disaccoppiatore Cd-Rd come gruppo di polarizzazione.

Per controllare l'ampiezza dell'oscillazione, il microcontrollore P può controllare l'energia di eccitazione regolando la durala deinmpuiso di eccitazione, variandolo da zero ad una durata massima corrispondente alla durata di metà del periodo di oscillazione, permettendo così di usare delle semplici ed economiche risorse del microcontrollore P.

Il periodo di ripetizione dell’ impulso di eccitazione può essere scelto in due modi: tanto lungo da permettere praticamente l'esaurimento completo dell'oscillazione smorzata oppure breve.

Per analizzare il segnale del risonatore, il microcontrollore P può comprendere un comparatore collegato al nodo V tra i due diodi delle figure 4 e 5 per squadrare inizialmente il segnale sinusoidale o, se il livello dell'oscillazione della particolare applicazione ha un'ampiezza sufficiente, il microcontrollore P può sfruttare le caratteristiche di ingresso di una sua porta.

Eventualmente, il microcontrollore P o un circuito di controllo 12 collegato al o incorporato nel circuito di valutazione 11 possono essere programmati per reagire a determinate sequenze di avvicinamento ed allontanamento dell'utensile di attivazione 10, cambiando i propri parametri funzionali in un modo corrispondente ad una predeterminata prescrizione.

Inoltre, il microcontrollore P o il circuito di controllo 12 può regolare la sensibilità del circuito di valutazione ad ogni accensione del circuito, in modo da controbilanciare eventuali variazioni della sensibilità indotte da assestamenti meccanici o variazioni delle condizioni di contorno del sensore. Tale regolazione può essere effettuata anche durante il normale funzionamento del circuito di valutazione, per evitare attivazioni sporadiche deH'interruttore o derive a lungo termine.

vaiuaggiosameiite, il dispositivo di programmazione secondo Γ invenzione può essere associato ad un attivatore elettronico, ad esempio un cacciavite elettronico 16, come illustrato in figura 7, comprendente un’impugnatura 17 ed uno stelo 18 e dotato di un generatore di impulsi magnetici collegato allo stelo, per la trasmissione di tali impulsi al componente induttivo 3 del dispositivo di programmazione.

In particolare, Γ impugnatura 17 del cacciavite elettronico 13 è mobile assialmente e/o in rotazione rispetto allo stelo 18 ed è collegata al generatore di impulsi magnetici (non illustrato nelle figure), in modo che il movimento assiale e/o rotativo dell’ impugnatura 17 rispetto allo stelo 18 attivi il generatore di impulsi.

Il circuito di controllo 12, quindi, può essere programmato per rilevare ed interpretare il movimento dell’impugnatura 17 rispetto allo stelo 18, eventualmente differenziando tra movimentazione lungo l’asse dello stelo 18 e rotazione. Il circuito di controllo, ad esempio, può interpretare la prima movimentazione come azionamento di un pulsante e la seconda movimentazione come rotazione di un trimmer. Il circuito di controllo 12, che eventualmente può essere incorporato nel microcontrollore P stesso, è quindi programmato per generare un segnale di azionamento dipendente dagli specifici impulsi magnetici generati con il cacciavite elettronico 16 e ricevuti mediante il componente induttivo 3.

Per consentire il movimento reciproco tra impugnatura 17 e stelo 18, l’indicatore 8 presente sulla parete 7 del contenitore consiste preferibilmente in un’incisione complementare alla punta del cacciavite elettronico e di profondità sufficiente ad impedire la rotazione dello stelo 18 rispetto alla parete 7 del contenitore.

L’impugnatura del cacciavite elettronico 16 può ulteriormente contenere un circuito in grado anche di ricevere eventuali impulsi magnetici generati dall’apparecchiatura in cui il dispositivo di programmazione secondo l’invenzione è installato, in modo da instaurare comunicazioni bidirezionali in grado di trasferire informazioni complesse.

Il circuito di controllo 12 può inoltre misurare il tempo in cui il cacciavite 10 o 16 rimane nella posizione a contatto con la parete 7 ed operare in base a tale misura: a titolo di esempio, il circuito 12 può interpretare un contatto breve come un semplice comando di azionamento, ed un contatto prolungato come un comando di cambiamento della modalità di funzionamento del circuito 12, ad esempio da modalità attiva a modalità di apprendimento.

Ovviamente, nel circuito di controllo 12 altre funzioni possono essere implementate senza difficoltà dal tecnico del ramo.

Opzionalmente, come illustrato nelle figure 6 e 7, il circuito di controllo può essere collegato ad un indicatore ottico 13 (display o LED) e ad altri componenti elettronici, ad esempio un dispositivo sensibile 15 o un attuatore 14.

Il funzionamento del presente trovato è il seguente: il microcontrollore P invia periodicamente un impulso di eccitazione al risonatore LC, che genera un segnale sinusoidale smorzato di ampiezza e frequenza definiti. Quando il dispositivo interruttore 1 deve essere attivato, l'utente avvicina un oggetto metallico (come un cacciavite 10) all'indicatore 8 presente sulla superfìcie esterna del contenitore 2. L'avvicinamento di un oggetto metallico, in particolare di un oggetto ferroso provoc una diminuzione del fattore di merito (Q) della bobina 5 e, quindi, dell'ampiezza del segnale oscillante del risonatore LC, che viene opportunamente rilevata dalla porta del microcontrollore P o dal comparatore in esso contenuto. In risposta al cambiamento dell'ampiezza di oscillazione, il microcontrollore P invia un opportuno segnale all'apparecchiatura, corrispondente alla funzione a cui è associato il dispositivo interruttore 1.

Eventualmente, in base alle applicazioni, il circuito di controllo 12 registra una sequenza di avvicinamento e allontanamento dell’oggetto metallico all’indicatore 8 ed invia un corrispondente segnale di azionamento all’apparecchiatura una volta che la sequenza è terminata.

Si è in pratica constatato come il trovato descritto raggiunga gli scopi proposti, poiché consente un elevato grado di affidabilità indipendentemente dalle particolari condizioni ambientali o degradazioni del contenitore.

Il dispositivo interruttore secondo il trovato, inoltre, assolve i compiti a cui è preposto con una struttura semplice e priva di magneti, di relativamente facile attuazione pratica, di sicuro impiego ed efficace funzionamento, nonché di costo relativamente contenuto.

Il trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo.

Inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica i materiali impiegati, nonché le forme e le dimensioni contingenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze senza per questo uscire

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo interruttore induttivo di programmazione per applicazioni in ambienti speciali, caratterizzato dal fatto di comprendere un componente induttivo ed un contenitore nel quale è alloggiato detto componente induttivo in prossimità di una parete del contenitore, detto componente induttivo essendo collegato ad un circuito elettronico di valutazione atto a rilevare variazioni di parametri del componente induttivo dovute all'approssimarsi di un oggetto metallico a detta parete, detto circuito di valutazione essendo adatto a rilevare ed identificare una sequenza di avvicinamento/allontanamento dell’oggetto metallico rispetto a detta parete e a modificare i propri parametri funzionali a seconda di tale sequenza.
2. 2) Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detta parete del contenitore comprende un indicatore visivo o tattile della posizione del componente induttivo, detto circuito elettronico di valutazione essendo atto a rilevare le variazioni di parametri del componente induttivo dovuti aH'approssimarsi delfoggetto metallico a detto indicatore.
3. 3) Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto componente induttivo è una bobina avvolta su o in un nucleo ferromagnetico.
4. 4) Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detto nucleo ferromagnetico è di tipo olla.
5. 5) Dispositivo secondo le rivendicazioni 2 e 3, in cui detto indicatore è disposto in corrispondenza dell'asse di detta bobina.
6. 6) Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui detto indicatore è un'etichetta o un punto colorato o un'incisione praticata sulla superficie esterna di detta parete.
7. 7) Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto circuito comprende un condensatore collegato a detto elemento induttivo in modo da formare un risonatore LC, detto circuito di valutazione essendo adatto a generare impulsi di eccitazione e ad analizzare la risposta di detto risonatore a detti impulsi, dette variazioni di parametri essendo variazioni di ampiezza di segnali oscillanti generati da detto risonatore in risposta a detti impulsi.
8. 8) Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui detto circuito di valutazione comprende mezzi per variare la durata di detti impulsi, in modo da variare l'ampiezza di oscillazione di detti segnali oscillanti.
9. 9) Gruppo di programmazione di apparecchiature elettroniche per utilizzo in ambienti speciali, comprendente un dispositivo interruttore induttivo di programmazione secondo una o più delle rivendicazioni precedenti ed un attivatore elettronico, detto attivatore elettronico comprendendo uno stelo ed una corrispondente impugnatura mobile rispetto a detto stelo, detta impugnatura contenendo un generatore di impulsi magnetici associato a detto stelo ed azionabile in base a movimenti di detta impugnatura rispetto allo stelo, in modo che detti impulsi magnetici possano essere trasmessi a detto componente induttivo attraverso detto stelo quando detto stelo è a contatto con detta parete del contenitore, il circuito di valutazione essendo adatto a modificare i propri parametri funzionali in base agli impulsi magnetici generati con detti movimenti dell 'impugnatura.
10. 10) Gruppo di programmazione secondo la rivendicazione 9, in cui detti movimenti comprendono almeno un movimento direzione coassiale a detto stelo e/o almeno un movimento di rotazione attorno all’asse di detto stelo. 1 1) Gruppo di programmazione secondo le rivendicazioni 2 e 9, in cui detto indicatore è un solco di profondità adatto a bloccare detto stelo rispetto a detta parete.