ITMO20080301A1 - Sensore induttivo ad uscita indipendente dal tipo di materiale metallico rilevato - Google Patents

Description

SENSORE INDUTTIVO AD USCITA INDIPENDENTE DAL TIPO DI MATERIALE METALLICO RILEVATO".

DESCRIZIONE

Il presente trovato ha come oggetto un sensore induttivo ad uscita indipendente dal tipo di materiale metallico rilevato. In particolare, il sensore induttivo oggetto del trovato à ̈ del tipo a circuiti risonanti.

I sensori induttivi noti utilizzano una o più bobine per rilevare la presenza di materiali metallici .

I sensori ad una sola bobina si basano essenzialmente sulla misura di un parametro elettrico fortemente dipendente dal valore di impedenza assunto dalla bobina al variare della distanza e dal tipo di metallo costituente l'ostacolo. Questi sensori ad una bobina presentano 1<1>inconveniente di non poter raggiungere elevate distanze di attivazione, in quanto devono basare le loro prestazioni sulla buona stabilità in temperatura della bobina e dei componenti usati e/o alla caratteristica di componenti che hanno il compito di compensare la deriva termica.

Alcuni sensori a due bobine noti utilizzano una bobina di misura ed una di riferimento. Le bobine sono costruite in modo simile per garantire lo stesso comportamento termico e l'impedenza della bobina di misura viene paragonata a quella di riferimento in modo da eliminare il più possibile le instabilità termiche.

Come à ̈ noto, i materiali ferromagnetici determinano forti variazioni del fattore di qualità Q e scarse variazioni dell'induttanza della bobina, mentre i materiali non ferromagnetici determinano forti variazioni dell'induttanza della bobina e scarse variazioni del fattore di qualità. Nei dispositivi noti, in pratica, vengono osservate le variazioni di induttanza e fattore di qualità della bobina di misura: le variazioni di induttanza provocano variazioni di fase o frequenza, mentre le variazioni del fattore di qualità determinano variazioni di ampiezza del segnale.

La variazione relativa dei due parametri può essere elaborata per determinare il tipo di metallo o per estrarre un parametro dipendente solo dalla distanza e indipendente dal tipo di metallo costituente l'ostacolo.

In particolare, nella domanda di brevetto europeo EP 1530064 Al à ̈ stato proposto un circuito adatto a rilevare la presenza di un ostacolo metallico ad una medesima distanza di attivazione, indipendente dalla natura ferrosa o non ferrosa del materiale dell’ostacolo. In particolare, con riferimento alla figura 1, il circuito noto 100 comprende un generatore 110 di impulsi 115 collegato all'ingresso di un singolo circuito LC parallelo 120, la cui uscita 125 viene periodicamente campionata da un microcontrollore 130 ad un istante predeterminato. Il valore campionato 135 viene alimentato in ingresso ad un comparatore 140 che provvede, in base al valore, ad attivare un interruttore 150.

L'istante predeterminato F a cui viene effettuato il campionamento, illustrato nelle figure 2a e 2b, coincide con l'istante in cui la differenza 404 tra l'ampiezza della risposta all'impulso 401 del circuito risonante 120 in assenza di ostacolo metallico e l'ampiezza della risposta all'impulso 402 del circuito 120 in presenza di un materiale ferromagnetico posto ad una certa distanza D à ̈ sostanzialmente uguale alla differenza 504 tra l'ampiezza del segnale 401 e l'ampiezza della risposta all'impulso 502 del circuito risonante 120 in presenza di un ostacolo non ferromagnetico posto alla medesima distanza D. Tale istante F esiste ed à ̈ possibile determinarlo matematicamente o empiricamente.

Un inconveniente riscontrabile nel circuito noto di figura 1 à ̈ che questo, nella forma di realizzazione in cui utilizza un singolo circuito LC di misura ed un oscillatore al quarzo per generare il clock del sistema, può presentare problemi di derive termiche dell'induttore.

Compito precipuo del presente trovato à ̈ quello di superare gli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.

In particolare, uno scopo del trovato à ̈ quello di realizzare un sensore induttivo per la rilevazione di un oggetto metallico che sia indipendente dal tipo di materiale dell'oggetto e che permetta di ridurre o cancellare gli effetti delle derive termiche della bobina di misura.

Un altro scopo del trovato à ̈ di realizzare un sensore con uscita fortemente indipendente dal tipo di metallo costituente l'oggetto senza complesse elaborazioni.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un sensore secondo la rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di forme di esecuzione preferite, ma non esclusive, del sensore secondo il trovato, illustrate, a titolo indicativo e non limitativo, negli uniti disegni, in cui:

la figura 1 Ã ̈ un sensore induttivo di tipo noto; le figure 2a e 2b mostrano le risposte all'impulso del circuito di figura 1 in presenza di ostacoli metallici rispettivamente ferromagnetici e non ferromagnetici ;

la figura 3 Ã ̈ un sensore induttivo secondo una prima forma di realizzazione dell'invenzione;

la figura 4 Ã ̈ un sensore induttivo secondo una seconda forma di realizzazione dell'invenzione; la figura 5 Ã ̈ un sensore induttivo secondo una terza forma di realizzazione dell'invenzione;

la figura 6 mostra l'andamento delle sinusoidi smorzate di misura della prima forma di realizzazione, per ostacoli in rame posti a due distanze diverse;

la figura 7 mostra l'andamento delle sinusoidi smorzate di misura della terza forma di realizzazione .

Con riferimento alla figura 3, il sensore induttivo secondo il trovato comprende un'unità di generazione di impulsi elettrici 1 avente almeno due canali di trasmissione degli impulsi, per eccitare in modo indipendente corrispondenti circuiti risonanti collegati a rispettive uscite dell'unità di generazione di impulsi 1.

Vengono previsti, in particolare, un circuito risonante di misura (2, 3) ed un circuito risonante di riferimento (4, 5), entrambi di tipo LC.

Il circuito risonante di misura, ad esempio di tipo LC parallelo, à ̈ disposto in prossimità della superficie attiva del sensore, in modo che la sua impedenza sia fortemente influenzata dall 'avvicinarsi di corpi metallici, e comprende un induttore di misura 2 ed un primo condensatore 3 accoppiato all'induttore di misura 2.

Anche il circuito risonante di riferimento à ̈ di tipo LC e comprende un induttore di riferimento 4 accoppiato, preferibilmente in parallelo, ad un secondo condensatore 5 in modo da formare un circuito LC parallelo. L'induttore di riferimento 4 à ̈ schermato almeno parzialmente, in modo da essere poco o per nulla influenzato dall 'avvicinarsi di corpi metallici al sensore ed essere in grado di seguire abbastanza fedelmente le variazioni provocate dalla temperatura ambiente sull'induttore di misura 2.

Gli induttori 2 e 4 sono identici e vengono fatti operare ad una frequenza inferiore alla loro frequenza di autorisonanza, in particolare ad una frequenza nei dintorni della quale le caratteristiche dell'induttanza e della resistenza parassita associata all'induttore hanno un andamento sostanzialmente lineare al variare della frequenza.

Inoltre, gli induttori 2 e 4, preferibilmente di tipo planare e realizzati su circuito stampato, possono essere disposti su piani sostanzialmente ortogonali tra loro, in modo da ottenere le stesse caratteristiche di deriva termica ed il minimo accoppiamento elettromagnetico.

A valle dei circuiti risonanti, il sensore induttivo comprende ulteriormente un'unità di valutazione, adatta a ricevere in ingresso le risposte dei circuiti risonanti, a leggere periodicamente la risposta dell'induttore di misura 2 ad un certo istante di campionamento F o in una certa finestra temporale nei dintorni di F ed a fornire in uscita un valore binario (alto/basso) di attivazione o disattivazione, in base al valore campionato.

L'unità di valutazione secondo l'invenzione à ̈ configurata in modo da generare un segnale di clock per il campionamento periodico all'istante F o nella finestra temporale nei dintorni dell'istante F, sulla base del segnale di riferimento generato periodicamente dal circuito risonante di riferimento. L'istante di lettura F della risposta dell'induttore di misura 2 si trova in un punto caratteristico in corrispondenza del quale una prima ampiezza del segnale di misura generato dal circuito risonante di misura in presenza di un materiale ferromagnetico disposto ad una distanza dal sensore à ̈ sostanzialmente uguale (ossia eventualmente diversa per meno del 10%) ad una seconda ampiezza del,segnale di misura generato in presenza di un materiale non ferromagnetico disposto alla medesima distanza dal sensore .

I due canali del generatore di impulsi 1 sono realizzati in modo da eccitare i due circuiti risonanti con treni di impulsi di eccitazione eventualmente sfasati tra loro, con uno sfasamento compreso tra zero ed il periodo massimo dell 'oscillazione di misura, ad esempio 500ns.

Nella prima forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata in figura 3, lo sfasamento tra i due treni di impulsi di eccitazione à ̈ scelto in modo che l'istante di campionamento della risposta dell'induttore di misura 2 avvenga in coincidenza con il passaggio per il valore zero, in fase discendente, di un predeterminato periodo della risposta del circuito risonante di riferimento 4, 5. Questo periodo verrà qui di seguito indicato con la lettera "n", corrispondente al numero del periodo di oscillazione riferito all'istante iniziale della risposta all'impulso del circuito risonante di riferimento 4, 5. Ovviamente, con "periodo" si intende in realtà uno pseudo-periodo di oscillazione, essendo la risposta all'impulso del circuito LC di riferimento una sinusoide smorzata in ampiezza.

Le ampiezze degli impulsi di corrente alimentati rispettivamente ai due induttori 2 e 4 possono essere differenti. In particolare, come ampiezza degli impulsi del canale di misura, che alimentano l'induttore di misura 2, viene preferibilmente scelta la più alta possibile affinché l'ampiezza del primo periodo della risposta all'impulso non superi la tensione di alimentazione. Invece, l'ampiezza degli impulsi del canale di riferimento à ̈ scelta in modo che, nella risposta all'impulso di eccitazione del circuito risonante di riferimento, l'ampiezza di picco della semionda positiva n, che precede immediatamente l'istante di lettura F (in quanto in F tale semionda passerà per lo 0) corrisponda ad una tensione pari alla tensione istantanea assunta dalla risposta del circuito risonante di misura all'istante di lettura F in presenza dell'ostacolo alla distanza di attivazione, e pertanto corrisponda alla soglia di intervento.

Per regolare gli sfasamenti e le ampiezze desiderate dei treni di impulsi di eccitazione, l'unità di generazione degli impulsi 1 può comprendere un microcontrollore 7 dotato di una pluralità di uscite a-e. L'uscita c fornisce un segnale logico periodico che viene alimentato ad entrambi i canali di misura e di riferimento ed il cui periodo corrisponde al periodo di campionamento dell'unità di valutazione 6a. Il periodo del segnale logico su c può essere molto maggiore del periodo di autorisonanza dei circuiti di misura 2,3 e di riferimento 4,5; ad esempio dalle 50 alle 100 volte maggiore, in modo da consentire un completo smorzamento delle oscillazioni della risposta all'impulso dei circuiti risonanti. In alternativa, il periodo del segnale logico periodico generato dal microcontrollore 7 può essere anche inferiore a 50 volte il periodo di oscillazione della risposta all'impulso dei circuiti risonanti, ma in questo caso à ̈ preferibile utilizzare circuiti, qui stilizzati come interruttori 21, 22, per smorzare forzatamente e rapidamente le oscillazioni generate dai circuiti risonanti, come descritto in seguito .

Le uscite a ed e forniscono un segnale di regolazione del ritardo degli impulsi per il canale di riferimento ed il canale di misura, rispettivamente, mentre le uscite b e d forniscono un segnale di regolazione dell'ampiezza degli impulsi per il canale di riferimento ed il canale di misura, rispettivamente.

Il canale di misura dell'unità di generazione di impulsi 1 comprende un primo generatore di ritardo 8, adatto a fornire nella sua uscita una versione del segnale periodico su c ritardata in funzione del segnale su e di regolazione del ritardo.

A valle del primo generatore di ritardo 8 Ã ̈ collegato un primo generatore di impulsi 9, adatto a generare un impulso in corrispondenza di un fronte di salita o di discesa del segnale uscente dal generatore di ritardo 8.

Infine, il canale di misura comprende un primo generatore di corrente 10, collegato all'uscita del generatore di impulsi 9 ed adatto a generare un impulso di corrente di durata data dall'impulso uscente dal generatore di impulsi 9 ed ampiezza definita dal segnale su d di regolazione dell 'ampiezza .

Il generatore di corrente 10 à ̈ collegato in uscita al circuito risonante di misura 2, 3 e può presentare un primo interruttore 21, collegato in parallelo all'induttore 2 e volto a smorzare rapidamente il segnale oscillante generato dal circuito risonante di misura.

11 canale di riferimento dell'unità di generazione di impulsi 1 può comprendere, per simmetria, gli stessi componenti e le stesse funzioni del canale di misura, ossia un secondo generatore di ritardo (opzionale) 11, un secondo generatore di impulsi 12 ed un secondo generatore di corrente 13, quest'ultimo eventualmente collegato ad un secondo interruttore 22 di smorzamento del segnale oscillante del circuito risonante di riferimento 4,5.

I segnali di ritardo e di ampiezza forniti sulle uscite a e b del microcontrollore 7, aventi la medesima funzione dei segnali sulle uscite e e d ma alimentati rispettivamente al secondo generatore di ritardo 11 ed al secondo generatore di corrente 13, possono assumere valori differenti rispetto ai segnali sulle uscite e e d.

La struttura descritta à ̈ solo indicativa, ed ha l'obiettivo di mantenere una elevata simmetria tra i due canali e di utilizzare un microcontrollore dotato di scarse risorse di temporizzazione e/o scarsa velocità.

Le funzioni descritte si possono realizzare anche in modo completamente digitale qualora siano utilizzati microcontrollori in grado di generare coppie di impulsi molto stretti rispetto al periodo di oscillazione e di regolarne finemente ampiezza, durata e sfasamento reciproco.

L'unità di valutazione 6a comprende anch'essa un ramo di misura ed un ramo di riferimento, collegati rispettivamente a valle del circuito risonante di misura 2, 3 e del circuito risonante di riferimento 4, 5. Questi rami, tuttavia, sono logicamente collegati tra loro in modo che la risposta del circuito di misura 2, 3 possa essere letta all'istante F in cui i due effetti combinati di riduzione del fattore di qualità e di aumento di frequenza dell'induttore di misura 2 causino, rispetto alla risposta del circuito risonante di riferimento, la stessa riduzione o una riduzione simile (ad esempio, diversa di meno del 10%) dell'ampiezza istantanea della risposta in presenza di diversi metalli ferromagnetici e non ferromagnetici, posti alla medesima distanza dall'induttore di misura 2.

A tal fine, il ramo di misura dell'unità di valutazione 6a può comprendere un primo amplificatore 14 adatto ad amplificare la risposta oscillante del circuito risonante di misura 2, 3, qui chiamata anche segnale di misura. L'impedenza di ingresso dell'amplificatore 14 viene scelta molto alta, in modo da non influenzare l'impedenza complessiva dei circuiti risonanti.

Un secondo amplificatore 17 può essere previsto sul ramo di riferimento per amplificare, eventualmente con un diverso fattore di amplificazione, la risposta oscillante del circuito risonante di riferimento 4, 5, qui chiamata anche segnale di riferimento. Anche il secondo amplificatore 17 ha un'impedenza di ingresso molto elevata.

A valle del primo amplificatore 14 viene previsto un primo comparatore 15 adatto a confrontare l'ampiezza del segnale di misura, eventualmente amplificato dall'elemento 14, con l'ampiezza del segnale dì riferimento, eventualmente amplificato dall'elemento 17. L'uscita del comparatore 15 (che può assumere due valori, alto e basso, a seconda della differenza di ampiezza tra i due segnali ai suoi ingressi) à ̈ collegata all'ingresso D di un flip-flop 16, che fornisce all'uscita Q il valore presente all'ingresso D in corrispondenza di un fronte del segnale in C.

Per effettuare il confronto tra il segnale di misura e quello di riferimento, il primo comparatore 15 comprende almeno due ingressi, dei quali uno à ̈ collegato all'uscita dell'amplificatore 14 e l'altro à ̈ collegato ad un dispositivo che memorizza il valore di picco del periodo di oscillazione numero n del segnale di riferimento. Per ottenere questo valore di picco, questo dispositivo comprende preferibilmente un primo campionatore analogico 20, che riceve ad un ingresso il segnale di riferimento eventualmente amplificato dall'elemento 17 e all'altro ingresso riceve un impulso di campionamento.

L'impulso di campionamento à ̈ ottenuto mediante un secondo comparatore 18 collegato in cascata ad un primo contatore 19.

Il secondo comparatore 18 à ̈ adatto a confrontare l'ampiezza del segnale di riferimento eventualmente amplificato con il suo valore medio e a fornire così in uscita un segnale di clock, corrispondente ad una versione squadrata del segnale di riferimento.

Il primo contatore 19 à ̈ collegato all'uscita del comparatore 18 ed à ̈ configurato per fornire ad ogni ciclo di eccitazione l'impulso numero n del segnale di clock uscente dal comparatore 18. Questo impulso, qui chiamato anche impulso di campionamento, ha una durata pari al semi-periodo di oscillazione del segnale di riferimento e viene alimentato anche all'ingresso di clock C del flipflop 16, in modo che il suo fronte, ad esempio, di discesa individui 1 'istante di lettura F sopra definito ed il flip-flop 16 fornisca nell'uscita Q il valore campionato all'istante F.

Il contatore 19 à ̈ collegato ulteriormente ad un ingresso della porta AND 25, che così può ricevere l'impulso generato dal contatore 19.

L'altro ingresso della porta AND 25 à ̈ collegato all'uscita di un secondo contatore 24, adatto a generare in uscita un impulso corrispondente alla semi -onda positiva del periodo numero n del segnale di misura. A tal fine, all'ingresso del contatore 24 à ̈ previsto un terzo comparatore 23, adatto a confrontare il segnale di misura uscente dall'amplificatore 14 con il suo valore medio, a generare un treno di impulsi di periodicità pari al periodo di oscillazione del segnale di misura e a fornire questo treno di impulsi al contatore 24. Il terzo comparatore 23 à ̈, quindi, configurato per generare una versione squadrata del segnale di misura .

L'uscita della porta AND 25 Ã ̈ collegata ad un ingresso di abilitazione del primo comparatore 15, in modo che l'uscita del comparatore 15 sia disponibile solo per la durata dell'impulso di "strobe" fornito dalla porta 25 a seguito dell'operazione di AND tra i suoi due ingressi sopra descritti.

Il funzionamento del circuito di figura 3 à ̈ il seguente. Per ogni impulso fornito periodicamente dall'unità 1, viene generato dai circuiti risonanti un segnale di misura ed un segnale di riferimento, rispettivamente, che consistono in segnali oscillanti smorzati.

Questi segnali vengono convertiti in onde quadre e di queste onde quadre vengono prelevati dall'unità di valutazione 6a gli impulsi corrispondenti al periodo numero n dei segnali di misura e di riferimento. Di questi due impulsi viene operato un AND logico in corrispondenza della porta 25, in modo che il comparatore 15 fornisca l'uscita logica solo se la differenza di fase tra la misura ed il riferimento à ̈ minore di mezzo periodo.

In pratica questa funzione abilita la comparazione dell'ampiezza istantanea delle due specifiche semi-onde positive del periodo n dei segnali di misura e di riferimento solo per piccole differenze di fase. Questo impedisce al sistema di commettere errori nell'interpretazione della distanza dell'ostacolo nel caso in cui siano utilizzati ostacoli di metalli con una altissima conduttività e circuiti risonanti con altissimo fattore di qualità. Infatti, in questo caso lo smorzamento in ampiezza del segnale di misura risulterebbe molto piccolo e la semi-onda corrispondente al periodo n+1, successiva a quella di prevista di misura, potrebbe avere un'ampiezza di picco solo impercettibilmente inferiore alla precedente .

Con riferimento alla figura 6, le curve 61 e 62 indicano rispettivamente i segnali di misura in presenza di un ostacolo in acciaio e di un ostacolo in rame, posti ad una prima distanza DI dall'induttore 2. Tali segnali, pur avendo modulo e fase diversi, assumono lo stesso valore istantaneo all'istante F, che si à ̈ determinato essere ad un certo periodo n di oscillazione.

In figura 6 sono state indicate anche le curve 63 e 64, corrispondenti rispettivamente al segnale di riferimento e al segnale di misura in presenza del medesimo ostacolo di rame posto ad una distanza D2 inferiore a DI rispetto all'induttore 2.

Come si può notare, sono stati rappresentati gli impulsi di clock 65 e 66 forniti dal comparatore 18 e corrispondenti ai periodi n-1 ed n del segnale di riferimento. Con 67 si à ̈ indicato l'impulso di clock numero n generato dal contatore 24, relativo al segnale 62.

Come si può notare, l'AND logico tra l'impulso nesimo di riferimento 66 e l'impulso n-esimo di misura 67 corrisponde all'impulso di strobe 68, presente all'uscita della porta AND 25 di figura 3 .

Al progressivo avvicinarsi dell'ostacolo in rame al di sotto della distanza D2, la semi-onda positiva numero n del segnale 62 scorre verso sinistra fino a che il fronte di discesa del segnale 67 coincide con il fronte di salita del segnale 66. Oltre questa quota, l'impulso di strobe 68 scompare ed il comparatore mantiene il valore L già assunto, che significa "ostacolo vicino" , anche se successive semionde positive del segnale di misura assumeranno in F valori istantanei superiori al valore di riferimento.

Gli elementi 23, 24 e 25 di figura 3 hanno pertanto la funzione di abilitare, mediante l'impulso di strobe 68, il comparatore 15 a fornire un'uscita H, che significa "ostacolo lontano", solo se il valore istantaneo di ampiezza del segnale di misura à ̈ superiore al valore di riferimento e contemporaneamente le n-esime semionde positive di riferimento e di misura hanno una differenza di fase determinata non superiore a mezzo periodo di oscillazione.

Quando non à ̈ presente alcun ostacolo la semi-onda positiva n di misura à ̈ espansa verso destra ed ha, in corrispondenza dell'istante F, un valore istantaneo maggiore del valore di riferimento determinando un corretto stato H di lettura.

Il flip-flop 16 memorizza, quindi, lo stato nell'istante F e lo fornisce in uscita in forma digitale, in modo che sia disponibile per essere successivamente processato da circuiti di potenza. Oltre l'istante di campionamento non à ̈ necessario permettere il naturale esaurirsi dei segnali. Di conseguenza, possono essere fatti intervenire i circuiti 21 e 22 per accelerare l'inizio di un nuovo ciclo.

Nella seconda forma di realizzazione preferita dell'invenzione, illustrata in figura 4, l'unità di valutazione 6b à ̈ modificata rispetto a quella di figura 3 ma contiene la maggior parte dei componenti utilizzati nella prima forma di realizzazione, per i quali sì sono mantenuti gli stessi numeri di riferimento.

Con riferimento alla figura 4, il segnale di riferimento viene generato in ritardo rispetto al segnale di misura, e tale ritardo à ̈ scelto in modo che il picco della semi-onda positiva numero n del segnale di riferimento coincida con l'istante di campionamento F del segnale di misura: in questo caso, lo stesso valore istantaneo di picco della sinusoide costituisce il valore di riferimento del comparatore 15. Questo permette di non memorizzare il valore di ampiezza di riferimento e di eseguire la comparazione in tempo reale di due segnali permettendo una efficace reiezione del rumore comune interno ed una minore suscettibilità alle interferenze elettromagnetiche.

Per estrarre il fronte che identifica l'istante di lettura F, viene utilizzato un derivatore 26 in uscita dal secondo amplificatore 17, in grado di fornire la derivata del segnale di riferimento all'ingresso del comparatore 18 che, come nell'esempio di figura 3, fornisce la versione squadrata di tale segnale derivato. In questo modo, all'istante di picco del segnale in ingresso al derivatore 26 corrisponda un passaggio per lo zero del segnale in uscita dal derivatore 26.

Le successive elaborazioni necessarie alla generazione del fronte F e della finestra di lettura corrispondente alle n-esime semi-onde positive rimangono identiche a quelle operate dal circuito dì figura 3. Infatti, l'uscita del comparatore 18 viene fornita al contatore 19, descritto in precedenza, che invierà l'impulso numero n del segnale derivato alla porta AND 25 e all'ingresso di clock C del flip-flop 16.

Nelle applicazioni precedenti sono stati valutati i comportamenti delle sinusoidi smorzate in una zona relativamente distante dall'origine, origine che corrisponde all'istante di eccitazione, ad esempio in una zona compresa tra 21 s e 22 s dall'origine. In questa zona temporale, l'approssimarsi di un ostacolo metallico alla bobina di misura da infinito a pochi millimetri provoca un diminuzione di L e, pertanto, un aumento di frequenza, che sì traduce in una compressione della sinusoide di misura verso l'origine tale da far scorrere il periodo n di misura, in questo caso il 44°, per diversi periodi in anticipo rispetto allo stesso periodo n, della sinusoide di riferimento.

In una terza forma di realizzazione preferita dell'invenzione viene, invece, osservata una zona relativamente vicina all'origine della risposta all'impulso di eccitazione, ad esempio a solo 2.5 s. In questa zona temporale, l'approssimarsi di un ostacolo metallico alla bobina di misura da infinito a pochi millimetri determina uno scorrimento del periodo di misura scelto (qui indicato con "m"), ad esempio corrispondente al 5° periodo dall'origine, di una quantità inferiore ad un semi-periodo della sinusoide smorzata di riferimento. Si noti che lo scorrimento verso l'origine di un m-esimo periodo di misura à ̈ il prodotto tra m e la riduzione di periodo dovuta alla diminuzione di L.

Questa forma di realizzazione à ̈ illustrata in figura 5, dove sono stati indicati con il medesimo numero di riferimento i corrispondenti componenti di figura 3.

L'unità di valutazione 6c à ̈ stata modificata rispetto a quella del sensore di figura 3 nel modo seguente .

Sul ramo di riferimento, il contatore 19 à ̈ stato sostituito dal contatore 39, il quale presenta tre uscite: la prima uscita à ̈ collegata al campionatore analogico 20, la seconda uscita à ̈ collegata ad un generatore di rampa 30, la terza uscita à ̈ collegata ad un integratore 27 ed un secondo campionatore analogico 28.

Il contatore 39 à ̈ configurato per effettuare il conteggio dei periodi del segnale di riferimento, attraverso gli impulsi che riceve in ingresso dal secondo comparatore 18. Inoltre, il contatore 39 à ̈ configurato per fornire, sull'uscita collegata al campionatore analogico 20, un impulso di larghezza pari alla semionda positiva numero m-1 del treno di impulsi periodicamente ricevuti dal comparatore 18, sulla seconda uscita un impulso pari alla durata dell'intero periodo m-esimo (cioà ̈ dalla fine del periodo m-1 alla fine del periodo m) e, sulla terza uscita, un impulso di larghezza pari alla sola parte positiva del periodo m del treno di impulsi proveniente periodicamente dal comparatore 18. Il numeri m e m-1 vengono preprogrammati nel contatore 39 in modo che corrispondano a quella finestra temporale dove si à ̈ deciso di osservare le risposte all'impulso del circuito risonante di misura e di riferimento.

Considerando la posizione della finestra temporale, il ciclo del sensore secondo la terza forma di realizzazione dell'invenzione può essere reso molto breve utilizzando gli interruttori 21 e 22, ossia chiudendoli dopo il periodo m, in modo da anticipare notevolmente l'avvio di un nuovo ciclo .

Il campionatore analogico 20 à ̈ collegato al generatore di rampa 30 ed à ̈ configurato per memorizzare l'ampiezza di picco raggiunta della semi-onda positiva m-1 del segnale di rifermento e fornirla al generatore di rampa per settare la corrente di carica.

Il generatore di rampa 30 Ã ̈ adatto a generare una rampa di durata pari al periodo m corrispondente alla durata dell'impulso sulla seconda uscita del contatore 39 ed ampiezza massima determinata dall'ampiezza fornita dal campionatore analogico 20 .

Sul ramo di misura, Ã ̈ previsto un quarto comparatore 33 i cui ingressi sono collegati, rispettivamente, all'uscita del primo amplificatore 14 e all'uscita del generatore di rampa 30. Il comparatore 33, quindi, confronta il segnale di misura amplificato con la rampa fornita dal generatore 30 e produce in uscita un impulso, che osservato in AND logico con la terza uscita del contatore 39, risulta di larghezza variabile a seconda della distanza dell'oggetto metallico dall'induttore di misura 2, ma indipendente dal materiale dell'oggetto.

L'uscita del comparatore 33 Ã ̈ collegata all'integratore 27, che trasforma la larghezza della parte utile dell'impulso proveniente dal comparatore 33 in un valore di corrente o di tensione, a seconda dell 'implementazione dell'integratore 27. L'integrazione dell'impulso viene fatta sull'intervallo definito dal terzo segnale sull'uscita del contatore 39 collegata all'integratore 27, ossia sull'intervallo tl-t3 indicato in figura 7, descritta in seguito.

L'integratore 27, collegato all'ingresso del secondo campionatore analogico 28, fornisce quindi, come risultato dell'integrazione, un segnale di ampiezza definita al secondo campionatore 28, che prow ederà a prelevarla e memorizzarla per un intero ciclo in un buffer di uscita 29. Ovviamente, il valore campionato dal componente 28 sarà aggiornato ad ogni ciclo di misura, ossia ad ogni impulso di eccitazione inviato ai circuiti risonanti LC del sensore.

Mediante tale configurazione dell'unità di valutazione 6c à ̈ possibile ottenere un sensore con uscita analogica fortemente indipendente dal tipo di materiale costituente l'oggetto metallico ed utilizzabile all'interno di un intervallo predefinito di distanze tra l'oggetto metallico e l'induttore 2 di misura.

Per comprendere meglio il principio alla base del sensore di figura 5, si può fare riferimento alla figura 7, dove sono mostrati i segnali di misura e di riferimento compresi nella finestra temporale che individua i periodi numero m-1 ed m del segnale di riferimento, per due diversi valori Ipa>Ipb di ampiezza degli impulsi di eccitazione dei circuiti risonanti, per due diversi materiali metallici dell'ostacolo (rame e acciaio) e per due diverse distanze dell'ostacolo metallico dal circuito risonante di misura.

Considerando le curve con la lettera "a" relative all'ampiezza di impulso Ipa (un analogo discorso vale per l'ampiezza Ipb e le curve indicate con la lettera b nel numero di riferimento) si può rilevare nella figura 7 un intero periodo numero m del segnale di riferimento 71a, compreso nella finestra temporale tO t3. Nella medesima finestra temporale à ̈ stata disegnata anche la rampa 76a fornita dal generatore di rampa 30: tale rampa, come detto in precedenza, ha un'ampiezza massima pari all'ampiezza di picco della semi-onda positiva del precedente periodo numero m-1 e durata t3-t0 pari alla durata del periodo m.

Nella figura 7 sono anche indicati i segnali di misura 72a e 73a relativi, rispettivamente, ad un oggetto in rame e ad uno in acciaio, posti alternativamente ad una medesima distanza massima DI dall'induttore di misura 2, ad esempio 12mm.

Inoltre, in figura 7 si possono notare i segnali di misura 74a e 75a relativi agli stessi due oggetti, rispettivamente in rame ed in acciaio, messi alternativamente ad una medesima distanza D2 dall'induttore 2, inferiore a DI (ad esempio, 3mm) .

La rampa 76a intercetta, agli istanti tl e t2, i punti di intersezione delle curve 74a-75a e delle curve 72a-73a, rispettivamente. Questi punti identificano gli istanti di campionamento F definiti precedentemente, nei quali i due effetti combinati di riduzione del fattore di qualità e di aumento di frequenza dell'induttore di misura 2 causano, rispetto al segnale di riferimento 71a, la stessa riduzione o eventualmente una riduzione simile (ad esempio, diversa di meno del 10%) dell'ampiezza istantanea del segnale di misura in presenza di diversi metalli ferromagnetici e non ferromagnetici, posti alla medesima distanza dall'induttore di misura 2. La scelta di rame ed acciaio per gli ostacoli utilizzati nell'esempio di figura 7 à ̈ stata fatta perché il primo comporta, tra i vari materiali non ferromagnetici, il maggior aumento di frequenza del segnale di misura, mentre il secondo causa, tra i vari materiali ferromagnetici, la maggiore riduzione di ampiezza del segnale di misura.

Come si può notare da un confronto delle curve 72a-73a relative all'ampiezza Ipa con le curve 72be 73b relative all'ampiezza Ipb nel grafico di figura 7, i punti "F" di intersezione si trovano sulle stesse rette verticali corrispondenti agli istanti tl e t2 al variare dell'ampiezza da Ipa ad Ipb degli impulsi di eccitazione degli induttori. Questo dimostra che, se si usano i parametri di ampiezza di picco del periodo m-1 della forma d'onda del segnale di riferimento 71 per generare la rampa di comparazione 76 facendola iniziare all'istante tO corrispondente all'inizio del periodo m, in modo da ottenere un valore massimo di tensione in t3, corrispondente alla fine del periodo m, corrispondente al valore di picco assunto da 71 nel periodo precedente m-1, si ottiene una notevole insensibilità alle derive comuni, termiche o costruttive, dei vari componenti .

Si à ̈ in pratica constatato come il dispositivo secondo il trovato assolva pienamente il compito prefissato, in quanto consente di ottenere un sensore insensibile alle derive termiche e costruttive dei suoi componenti e la cui distanza di attivazione à ̈ insensibile al tipo di materiale metallico. Questo scopo viene particolarmente raggiunto sfruttando un segnale di riferimento corrispondente alla risposta che avrebbe il circuito risonante di misura in assenza di oggetti metallici, e determinando gli istanti di campionamento sulla base di questo segnale di riferimento, che seguirà il segnale di misura in presenza di imprevedibili variazioni ambientali. Il dispositivo, così concepito, à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Sensore induttivo ad uscita indipendente dal tipo di materiale metallico rilevabile, comprendente : un circuito risonante LC di misura (2, 3), disposto in prossimità di una superficie del sensore in modo che 1 'impedenza del circuito risonante sia influenzabile dalla presenza di oggetti metallici esterni al sensore; - un'unità (1) di generazione di impulsi elettrici di eccitazione collegata al circuito risonante di misura (2, 3), detta unità di generazione impulsi (1) comprendendo un canale di misura configurato per fornire periodicamente impulsi elettrici di eccitazione al circuito risonante di misura (2, 3) , in modo da eccitare periodicamente il circuito risonante di misura; e - un'unità di valutazione (6a, 6b, 6c) collegata a valle del circuito risonante di misura e configurata per effettuare un campionamento periodico di un segnale di misura generato periodicamente dal circuito risonante di misura in risposta agli impulsi di eccitazione, caratterizzato dal fatto che: - detto sensore comprende un circuito risonante LC di riferimento (4, 5), schermato o disposto nel sensore in modo che la sua impedenza non sia sostanzialmente influenzabile dalla presenza di detti oggetti metallici esterni; detta unità di generazione impulsi (1) comprendendo un canale di riferimento ed essendo collegata, mediante detto canale di riferimento, al circuito risonante di riferimento (4, 5), detto canale di riferimento essendo configurato per fornire periodicamente impulsi elettrici di eccitazione al circuito risonante di riferimento (4, 5), detti impulsi di eccitazione del canale di riferimento aventi lo stesso periodo di ripetizione degli impulsi di eccitazione del canale di misura; - detta unità di valutazione (6a, 6b, 6c) essendo collegata a valle del circuito risonante LC di riferimento (4, 5) e configurata in modo da generare un segnale di clock per detto campionamento periodico, sulla base del segnale di riferimento generato periodicamente dal circuito risonante di riferimento in risposta agli impulsi di eccitazione del canale di riferimento, detto campionamento periodico essendo effettuato periodicamente ad un istante di campionamento predeterminato memorizzato nell'unità di valutazione (F) in corrispondenza del quale una prima ampiezza del segnale di misura generato in presenza di un materiale ferromagnetico disposto ad una distanza da detto sensore à ̈ sostanzialmente uguale ad una seconda ampiezza del segnale di misura generato in presenza di un materiale non ferromagnetico disposto alla medesima distanza dal sensore .
2. 2) Sensore secondo la rivendicazione 1, in cui detta unità di generazione di impulsi (1) comprende mezzi per sfasare gli impulsi di eccitazione di detto canale di misura rispetto agli impulsi di eccitazione di detto canale di riferimento, lo sfasamento essendo tale che detto istante di campionamento (F) del segnale di misura sia in corrispondenza di uno zero di un predeterminato periodo n del segnale di riferimento .
3. 3) Sensore secondo la rivendicazione 2, in cui l'ampiezza degli impulsi di eccitazione del canale di riferimento à ̈ tale che, nel segnale di riferimento, l'ampiezza di picco della semi-onda positiva immediatamente precedente l'istante di campionamento sia uguale all'ampiezza istantanea assunta dal segnale di misura all'istante di campionamento in presenza di un oggetto metallico posto a detta distanza di attivazione.
4. 4) Sensore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui l'unità di generazione degli impulsi (1) comprende un controllore (7) dotato di un'uscita per un segnale logico periodico, collegata ai canali di misura e di riferimento, detto segnale logico avendo un periodo di oscillazione corrispondente al periodo di campionamento dell'unità di valutazione (6a, 6b, 6c) .
5. 5) Sensore induttivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di valutazione (6a, 6b, 6c) comprende un ramo di misura collegato a detto circuito risonante di misura ed un ramo di riferimento collegato a detto circuito di riferimento e a detto ramo di misura, il ramo di misura comprendendo un primo comparatore (15) avente almeno due ingressi, dei quali un ingresso à ̈ collegato al circuito risonante di misura per ricevere detto segnale di misura e l'altro ingresso à ̈ collegato ad un dispositivo (18, 19, 20) collegato al circuito risonante di riferimento e che à ̈ configurato per fornire al primo comparatore (15) il valore di ampiezza massimo del segnale di riferimento in corrispondenza di detto periodo predeterminato n, detto primo comparatore (15) essendo configurato per effettuare un confronto dei segnali su detti due ingressi del primo comparatore (15).
6. 6) Sensore secondo la rivendicazione 5, in cui detto dispositivo (18, 19, 20) comprende un primo mezzo (18, 19) per squadrare il segnale di riferimento, in modo da ottenere un'onda quadra che definisce detto segnale di clock, detto primo mezzo (18, 19) essendo ulteriormente configurato per estrarre l'impulso numero n da detto segnale di clock.
7. 7) Sensore secondo la rivendicazione 6, in cui detto ramo di misura comprende un secondo mezzo (23, 24, 25) per squadrare il segnale di misura, in modo da ottenere un'onda quadra di misura, detto secondo mezzo (23, 24, 25) essendo ulteriormente configurato per estrarre l'impulso numero n di detta onda quadra di misura, effettuare un'operazione AND logica tra l'impulso numero n dell'onda quadra di misura con l'impulso numero n del segnale di clock ed abilitare detto primo comparatore (15) a detto confronto per la sola durata dell'impulso risultante da detta operazione AND.
8. 8) Sensore secondo le rivendicazioni 1 e 7, in cui gli impulsi di eccitazione di detto canale di misura sono sfasati rispetto agli impulsi di eccitazione di detto canale di riferimento, lo sfasamento essendo tale che detto istante di campionamento (F) del segnale di misura sia in corrispondenza di un massimo positivo di un predeterminato periodo n di oscillazione del segnale di riferimento, il ramo di riferimento dell'unità di valutazione (6b) comprendendo un derivatore (26) per sfasare detto segnale di clock di metà del periodo di oscillazione rispetto al segnale di riferimento.
9. 9) Sensore secondo la rivendicazione 1, in cui detta unità di valutazione (6c) comprende memorizzato un numero m, m-1 di periodo di oscillazione del segnale di riferimento che corrisponde ad una finestra temporale dove i segnali di misura del circuito risonante di misura sottoposto alla presenza di oggetti metallici di diversi materiali e posti all'interno di un intervallo predefinito di distanze dal circuito risonante di misura presentano sfasamenti minori di un semi-periodo di oscillazione del segnale di riferimento .
10. 10) Sensore secondo la rivendicazione 9, in cui detta unità di valutazione (6c) comprende: - mezzi di generazione di rampa (18, 39, 20, 30) configurati per generare un segnale a rampa in corrispondenza di detta finestra temporale, - un quarto comparatore (33) avente almeno due ingressi, dei quali un ingresso à ̈ collegato al circuito risonante di misura per ricevere detto segnale di misura e l'altro ingresso à ̈ collegato a detti mezzi di generazione di rampa (18, 39, 20, 30) in modo da ricevere detto segnale a rampa e confrontarlo con detto segnale di misura; - un integratore (27) collegato a valle del terzo comparatore (33), per integrare il segnale in uscita dal quarto comparatore (33) in un intervallo di tempo pari alla larghezza di detta finestra temporale.