ITMO960040A1 - Trasduttore di forza a colonna - Google Patents

Description

Descrizione di invenzione industriale

L'invenzione concerne un trasduttore di forza a colonna .

Lo stato della tecnica comprende dei trasduttori di forza costituiti da un elemento a colonna deformabile elasticamente sotto l'azione di una forza di trazione, o di compressione, associato a mezzi rilevatori di deformazione idonei a trasformare l'entità di deformazione in un segnale elettrico correlato alla forza stessa.

Esempi di mezzi rilevatori sono individuabili in estensimetri elettrici a resistenza, estensimetri a semi-conduttore, estensimetri piezoelettrici.

Peraltro, tali trasduttori sono soggetti ad un sensibile errore di non-linerarità, indicativamente prossimo a circa 0,1%.

Conseguentemente, per effetto dell'errore di linearità, l'andamento del segnale elettrico di uscita in funzione della forza applicata può discostarsi da un comportamento lineare per circa lo 0,1%.

Il verificarsi dell'errore di non-linearità è insito nel comportamento elastico dell'insieme di elemento a colonna e dei relativi mezzi rilevatori della deforinazione, nel quale le tensioni, e quindi anche le deformazioni in campo elastico, che si sviluppano lungo la direzione di applicazione della forza da misurare, sono correlate alle tensioni, e quindi alle deformazioni che si sviluppano in un piano ortogonale a detta direzione tramite il Modulo di Poisson, che, ad esempio per l'acciaio - comunemente impiegato per le portate elevate - vale circa 0,3.

Ciò costringe all'adozione di idonei mezzi di correzione, implicanti complicazioni circuitali nella parte elettrica, o elettronica, di elaborazione del segnale .

Uno studio sulla linearità delle celle di carico a colonna è proposto in "Strumentazione per la pesatura e il dosaggio industriali", Ed. GISI 1992, Pagg. 68-98 (G. Barbato).

Esempi di impiego di tali mezzi di correzione sono indicati in EP-A-315846, nonché nella domanda di brevetto italiano n. M094A000076.

Da quanto precede deriva la necessità della risoluzione del problema tecnico di trovare un trasduttore di forza a colonna che non richieda mezzi di correzione dell'errore di non linearità.

L'invenzione risolve il problema tecnico suddetto adottando un elemento trasduttore a colonna, avente un corpo allungato, cioè dotato di una dimensione lineare in direzione assiale prevalente rispetto alle altre, nel quale è prevista una porzione di rilevamento della misura, dotata di mezzi rilevatori delle deformazioni indotte dalla forza da misurare, la porzione di rilevamento avendo una sezione, rilevata in un piano ortogonale rispetto a detta direzione assiale, di ampiezza minore della sezione di detto elemento nelle parti rimanenti, caratterizzato da ciò, che detta porzione di rilevamento presenta dimensioni e forma tali da definire zone distinte per l'applicazione di detti mezzi rilevatori nelle quali, quando l'elemento a colonna è assoggettato alla forza da misurare, le tensioni, e quindi deformazioni, lungo detta direzione assiale in una zona, risultano sostanzialmente corrispondenti alle tensioni, e quindi alle deformazioni, che si sviluppano in un piano ortogonale a detta direzione assiale in un'altra zona.

L'individuazione di dette zone deve essere condotta con riferimento a determinate conformazioni di cavità definenti la porzione di misura ed al dimensionamento della cella.

Nel seguito vengono forniti alcuni esempi di cavità e delle relative zone di applicazione dgli estensimetri .

In una versione particolarmente vantaggiosa, detto elemento presenta almeno un piano di simmetria, la porzione di rilevamento essendo definita, da parti opposte rispetto a detto piano, da una coppia di cavità contrapposte tra le quali è ricavato un diaframma.

Dette cavità presentano preferibilmente ciascuna forma in pianta a losanga, ad esempio romboidale, oppure esagonale, con lati raccordati ed aventi dimensione maggiore lungo detta direzione assiale. I lati di detta losanga possono essere rettilinei, o anche curvilinei.

Detta cavità presenta preferibilmente un primo piano di simmetria in corrispondenza di detta direzione assiale ed un secondo piano di simmetria, in corrispondenza di una direzione trasversale ortogonale a detta direzione assiale.

In una ulteriore versione vantaggiosa, detto diaframma è dotato di una coppia di fori, in corrispondenza di detto primo piano di simmetria e simmetricamente disposti rispetto a detto secondo piano di simmetria.

I fori possono avere forma circolare, oppure presentare un profilo policentrico.

La particolare forma delle cavità, preferibilmente dotate dei fori di cui sopra, consente di deviare verso le pareti laterali dell'elemento le tensioni, e quindi le deformazioni, assiali, scaricando così l'incidenza di tali tensioni e deformazioni assiali sul diaframma; in questo modo vengono generate tensioni, e corrispondenti deformazioni, trasversali, comparabili a dette tensioni, e deformazioni, assiali.

I mezzi rilevatori di deformazione, in particolare estensimetri, sono applicati su detto diaframma.

I mezzi rilevatori comprendono mezzi rilevatori delle deformazioni in direzione assiale situati in una rispettiva zona di detto primo piano di simmetria, in corrispondenza dell'intersezione con detto secondo piano di simmetria.

I mezzi rilevatori comprendono inoltre mezzi rilevatori delle deformazioni trasversali, situati in una rispettiva zona sul secondo piano di simmetria ad una opportuna distanza dal primo piano di simmetria.

Detta distanza opportuna è preferibilmente intermedia tra l'intersezione di detti primo e secondo piano di simmetria ed il bordo di detta cavità.

Con l'adozione del trasduttore di forza secondo l'invenzione, viene eliminata la necessità di provvedere dei mezzi compensatori dell'errore di non-linearità. Alcuni modi di attuare l'invenzione sono illustrati, a puro titolo esemplificativo, nelle dieci tavole di disegno allegate, in cui: Figura 1 è una vista laterale parzialmente sezionata di una cella di carico; Figura 2 è la sezione verticale II-II di Figura 1; Figura 3 è la sezione trasversale III-III di Figura 2; Figura 4 è una vista in pianta di un dispositivo di pesatura con quattro celle di carico, il piano di pesatura essendo visto in trasparenza; Figura 5 è la sezione V-V di Figura 4; Figure 6, 7 sono viste frontali, ingrandite, di una disposizione simmetrica degli estensimetri sulle facce opposte di uno stesso diaframma in una cella di carico; Figure 8, 9, sono viste come quelle di cui alle Figure 6, 7, con estensimetri in disposizione uguale sulle facce di detto diaframma; Figure 10, 11 sono viste come quelle di cui alle Figure 6, 7, peraltro con un altro tipo di estensimetri; Figura 12 è uno schema elettrico di un ponte di misura per celle di carico; Figura 13 è una vista laterale di una cella di carico, in una versione con sedi assiali filettate per impegnare elementi di trazione assiali; Figura 14 è una vista come quella di Figura 13, peraltro in una versione con perni assiali filettati d'estremità,- Figura 15 è una vista laterale di una cella di carico, in una versione con occhioni d'estremità aventi assi paralleli; Figura 16 è la sezione XVI-XVI di Figura 15; Figura 17 è una vista laterale di una cella di carico, peraltro in una versione con occhioni d'estremità aventi assi sghembi, in particolare ortogonali; Figura 18 è la sezione trasversale XVIII-XVIII di Figura 17.

Con riferimento alle Figure 1 e 2, una cella di carico 1 comprende un elemento a colonna 2 elasticamente deformabile, interposto tra un supporto orizzontale inferiore 3 ed un supporto orizzontale superiore 4 sul quale è applicato un carico, ad esempio tramite una piattaforma 5. L'elemento a colonna 2 comprende un corpo 6 centralmente dotato di una coppia di cavità contrapposte 7 definenti una coppia di ali 7a ed un diaframma centrale 7b sul quale sono fissati rispettive coppie di mezzi rilevatori 8, 9 di deformazione, in particolare estensimetri.

L'elemento a colonna 2 è esternamente dotato, nella sua parte centrale, di un soffietto metallico 10 ed è preferibilmente dotato di un'estremità superiore il cilindrica, terminante con una calotta sferica 12, ricevuta in una corrispondente sede cilindrica 13 del supporto superiore 4. L'estremità inferiore 14 dell'elemento a colonna 2 è inferiormente dotata di una sede cilindrica 15 nella quale è ricevuto un codolo cilindrico 16 del supporto inferiore 3 terminante con una calotta sferica 17.

La somma dei raggi di curvatura delle calotte sferiche 12 e 17 é preferibilmente maggiore della distanza D tra due piani paralleli tangenti a dette calotte sferiche. Detti raggi di curvatura possono essere diversi tra loro. In tal caso, l'elemento 2 elasticamente deformabile costituisce un supporto oscillante autoallineante della piattaforma di carico 5.

Ciò significa che, se l'elemento 2 elasticamente deformabile viene spostato, all’atto dell'applicazione del carico da misurare, ritorna automaticamente nella posizione iniziale.

Tra l'estremità superiore 11 dell'elemento 2 elasticamente deformabile e la sede cilindrica 13 del supporto superiore 4 è interposto un primo anello elastico 18 di centraggio e tenuta contro l'introduzione di corpi estranei.

Nel supporto superiore 4 è inoltre previsto un primo foro 19 per lo scarico dalla sede cilindrica 13 del grasso di lubrificazione eccedente, all'atto dell'inserimento nella sede stessa dell'estremità superiore 11 dell'elemento 2.

Tra la sede cilindrica 15 dell'estremità inferiore 14 dell'elemento 2 e il codolo 16 del supporto inferiore 3 è interposto un secondo anello elastico 20 di centraggio e tenuta contro l'introduzione di corpi estranei .

In detta estremità inferiore 14 è previsto un secondo foro 21 per lo scarico dalla sede cilindrica 15, attraverso una spina 22 elastica antirotazione, del grasso di lubrificazione eccedente, all'atto dell'inserimento nella sede stessa del codolo 16 del supporto inferiore 3.

La spina elastica 22 coopera con un elemento di riscontro 23 antirotazione, ad esempio costituito da una piastra fissata al supporto inferiore 3 e dotata di un'asola 24 (Fig. 5) nella quale si inserisce detta spina elastica.

Il supporto inferiore 3 è appoggiato su un basamento 25, con interposizione di un elemento di centraggio 26, che si inserisce in una sede di centraggio 27 del basamento 25 ed é dotato di un risalto cilindrico 28 che si inserisce in un corrispondente foro 29 di centraggio del supporto inferiore 3. Se è necessario isolare il supporto inferiore 3 dal basamento 25, l'elemento di centraggio 26 viene realizzato in materiale elettricamente isolante.

Il supporto superiore 4 è dotato di un codolo cilindrico 35 per il centraggio in una piastra 36 interposta tra il supporto stesso e la piattaforma di carico 5, oppure per il centraggio direttamente sulla piattaforma 5, o su un telaio di carico.

Il corpo 6 dell'elemento 2 a colonna è dotato di fori 30 per il passaggio dei cavi di connessione elettrica tra le coppie di estensimetri 8, 9 e un circuito stampato 32, ad esempio fissato al corpo 6, che realizza il ponte di misura, e dei cavi di connessione elettrica tra il circuito stampato 32 e una morsettiera 33, alla quale sono collegati il cavo di alimentazione e il cavo di uscita del segnale, racchiusi, ad esempio, in una guaina 34 contenente materiale impermeabile. Un primo conduttore 37 è connesso alla piastra 36 ed al basamento 25 per scaricare a terra eventuali tensioni parassite, ad esempio dovute a scariche atmosferiche, per proteggere il circuito di misura; inoltre un secondo conduttore 38 è connesso alla piastra 36 e all'estremità inferiore 14 del corpo 6 per mantenere equipotenzialità tra le estremità dell'elemento 2, ciò per impedire il passaggio di correnti elettriche attraverso l'elemento 2, dette correnti potendo essere provocate, ad esempio, da scariche elettriche atmosferiche o da saldatrici ad arco utilizzate per eseguire saldature in prossimità dell'elemento 2.

Nelle Figure 4 e 5 è illustrato schematicamente un dispositivo di pesatura realizzato con quattro celle di carico 1 disposte agli angoli di una piattaforma 5. Le celle di carico 1 sono orientate in modo che le ali 7a risultino parallele alla direzione lungo la quale le componenti trasversali delle forze agenti su ciascuna cella di carico 1 hanno le maggiori intensità, dette componenti trasversali essendo generate da deformazioni termiche e/o elastiche della piattaforma 5, o telaio di carico, o da eventuali cedimenti del basamento delle celle di carico. Questa disposizione consente di ridurre al minimo gli errori di misura dovuti alla presenza di dette componenti trasversali, come verrà spiegato nel seguito.

Nelle Figure da 6 a 11 sono illustrati possibili posizionamenti delle coppie di estensimetri all'interno della coppia di cavità bilaterali 7.

Si osserva come il diaframma 7b sia vantaggiosamente dotato di una coppia di fori passanti 60 allineati su un primo piano di simmetria Al di ciascuna cavità 7. Può essere previsto un secondo piano di simmetria A2, ortogonale al primo piano di simmetria Al e definente con esso una zona di intersezione nella quale è fissato al diaframma 7b un primo estensimetro 61 sensibile alle deformazioni del corpo 6 in direzione parallela alla direzione principale A di sollecitazione {Figura 6).

In una zona intermedia del secondo piano di simmetria A2 compresa tra detta zona di intersezione ed un bordo di ciascuna cavità 7, al diaframma 7b può essere fissato un secondo estensimetro 62 sensibile alle deformazioni in direzione perpendicolare a detto piano principale A.

Con la configurazione degli estensimetri sopra descritta, le tensioni corrispondenti alle deformazioni lungo il piano Al sulla superficie del diaframma 7b sono sostanzialmente uguali alle tensioni e quindi alle deformazioni rilevate lungo il piano A2 sulla superficie dello stesso diaframma. Pertanto l'errore di non-linearità non incide in modo apprezzabile sulla misura.

Per compensare gli effetti di un'eventuale sollecitazione di flessione dovuta alle componenti trasversali di forze, gli estensimetri di ciascuna coppia 8 e 9 di estensimetri devono essere disposti in posizione il più possibile vicina e simmetrica rispetto agli assi principali d’inerzia della sezione mediana del corpo 6 equidistante dai piani tangenti alle calotte sferiche 12 e 17: ciò consente di ridurre le differenze di misura tra le due coppie 8 e 9 di estensimetri, dovute alle deformazioni provocate dalla sollecitazione di flessione e dagli inevitabili errori di posizionamento degli estensimetri.

Orientando le celle di carico 1 come precedentemente indicato, si minimizza l'errore di posizionamento degli estensimetri riducendo così al minimo la differenza tra le misure di ciascuna coppia di estensimetri 8, 9 e rendendo perciò massima l'insensibilità della cella di carico agli effetti delle suddette componenti trasversali di forza: infatti, con questo orientamento, il piano neutro della flessione, generata dalle componenti trasversali di maggiore intensità delle forze agenti sulla cella di carico, coincide sostanzialmente con il piano verticale di simmetria del diaframma 7b della sezione e, di conseguenza, gli eventuali errori di posizionamento degli estensimetri rispetto a questo piano sono al massimo uguali alle tolleranze dimensionali del diaframma stesso.

Nelle Figure 8 e 9 sono illustrate due formazioni di coppie di estensimetri 41, 42 inserite nelle cavità 7 ciascuna formazione comprendendo una coppia di estensimetri 61a, situati sulla superficie del diaframma 7b in corrispondenza del piano Al da parti simmetricamente opposte rispetto all'intersezine con il piano A2, ed una coppia di estensimetri 62a, situati sulla superficie del diaframma in corrispondenza del piano A2 da parti opposte rispetto all'intersezione con il piano Al.

Nelle Figure 10 e il sono illustrate due coppie di estensimetri 44, 45, ciascuna delle quali è montata su un unico supporto 46 in modo da consentire il posizionamento simmetrico degli estensimetri sia rispetto al primo piano di simmetria Al che rispetto al secondo piano di simmetria A2.

Gli estensimetri 44 sono a forma di ferro di cavallo per alloggiare rispettivi estensimetri 45 internamente ai relativi rami longitudinali.

Ciascuna coppia di estensimetri 8, 9, 61, 62, 41, 42, 44, 45 non necessita di essere associata ad alcun elemento linearizzatore, che risulta invece presente nelle celle di carico di cui allo stato della tecnica.

La Figura 12 mostra lo schema dei collegamenti elettrici del ponte di misura P nel quale le coppie di estensimetri 8, 9 sono disposti sui lati del ponte, due resistenze Rt compensatrici degli effetti delle variazioni di temperatura essendo disposte sui lati di ingresso del ponte P. Il ponte P comprende inoltre, in serie a ciascun ramo di ingresso e di uscita, una resistenza Ri per la calibratura del segnale di misura. In parallelo a ciascuna resistenza compensatrice Rt é disposta una resistenza di taratura R4. Infine, su due lati consecutivi del ponte P sono inserite in serie due resistenze R2, R3 per il bilanciamento del ponte stesso.

Con riferimento alla Figura 13, è illustrato un elemento a colona 2 assialmente dotato di elementi di trazione 48, in una versione della cella di carico idonea alla misura di carichi di trazione,· gli elementi di trazione 48 possono essere muniti di viti 49 impegnantisi in corrispondenti sedi filettate previste assialmente sulle estremità del corpo 6, oppure di sedi filettate per impegnare viti 50 sporgenti assialmente dalle estremità del corpo stesso.

Nelle Figure da 13 a 18, è illustrata una variante dell'elemento a colonna 2a dotato di corpo 6a assottigliato nella porzione centrale di rilevamento della misura. In particolare, come evidenziato nelle Figure da 15 a 18, le estremità del corpo 2a possono essere dotate di elementi di trazione con occhioni di presa 51 ad entrambe le estremità del corpo dell'elemento 2a, munite di perni 53 paralleli, o sghembi.

La cella di carico 1, funziona nel modo seguente: applicando alla cella 1 un carico di compressione, o di trazione, diretto secondo la direzione A, A1 dì sollecitazione, il corpo 6 si deforma elasticamente, con deformazioni proporzionali al carico applicato, la deformazione elastica principale viene rilevata dagli estensimetri 45, 61 che generano un segnale elettrico proporzionale alla deformazione stessa, mentre la deformazione secondaria viene rilevata dagli estensimetri 62, 44 che generano un segnale elettrico proporzionale alla deformazione stessa.

I segnali elettrici degli estensimetri, misurati dal ponte di misura P, sono elaborati dal circuito stampato 32 dal quale si ricava un segnale di uscita proporzionale all'intensità del carico applicato alla cella di carico 1.

Nell'attuazione pratica, i materiali, le dimensioni, i particolari esecutivi, potranno essere diversi da quelli indicati, ma ad essi tecnicamente equivalenti, senza per questo uscire dal dominio giuridico della presente invenzione.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Trasduttore a colonna, comprendente un corpo (6) allungato in una direzione assiale (A), nel quale è prevista una porzione (7, 7b) di misura, dotata di mezzi rilevatori (8, 9; 61, 62; 61a, 62a; 44, 45) delle deformazioni indotte dalla forza da misurare, la porzione (7, 7b) avendo una sezione, rilevata in un piano ortogonale rispetto a detta direzione assiale (A), di ampiezza minore della sezione di detto corpo (6) nelle parti rimanenti, caratterizzato da ciò, che detta porzione (7, 7b) presenta dimensioni e forma tali da definire posizioni, o zone, distinte per l'applicazione di detti mezzi rilevatori (8, 9; 61, 62; 61a, 62a; 44, 45) nelle quali, quando detto corpo (6) è assoggettato alla forza da misurare, le tensioni, e quindi deformazioni, lungo detta direzione assiale (A, Al) in una posizione, risultano sostanzialmente corrispondenti alle tensioni, e quindi alle deformazioni, che si sviluppano in un piano (A2) ortogonale a detta direzione assiale in un'altra posizione.
2. 2. Trasduttore a colonna, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da ciò, che detta porzione di misura è definita da cavità (7) contrapposte ricavate sul corpo (6) da parti opposte di un diaframma (7b).
3. 3. Trasduttore a colonna, secondo la rivendicazione 2, caratterizzato da ciò, che detta cavità (7) presenta un primo piano di simmetria (Al) contenente detta direzione assiale (A).
4. 4. Trasduttore a colonna secondo la rivendicazione 2, o 3, caratterizzato da ciò detta cavità (7) presenta un secondo piano di simmetria (A2), perpendicolare a detto primo piano di simmetria (Al).
5. 5. Trasduttore a colonna secondo la rivendicazione 2, o 3, o 4, caratterizzato da ciò, che detta cavità (7) presenta forma in pianta romboidale.
6. 6. Trasduttore a colonna secondo la rivendicazione 2, o 3, o 4, caratterizzato da ciò, che detta cavità (7) presenta forma in pianta come di losanga.
7. 7. Trasduttore a colonna secondo la rivendicazione 2, o 3, o 4, caratterizzato da ciò, che detta cavità (7) presenta forma in pianta sostanzialmente esagonale con lati maggiore paralleli a detto primo piano di simmetria.
8. 8. Traduttore a colonna secondo le rivendicazioni 2, 3, 4, caratterizzato da ciò, che detto diaframma (7b) è dotato di una coppia di aperture (60), in corrispondenza di detto primo piano di simmetria (Al), simmetricamente disposte rispetto a detto secondo piano di simmetria (A2).
9. 9. Tradsduttore a colonna, secondo le rivendicazioni 1, 2, 3, 4, caratterizzato da ciò, che detti mezzi rilevatori (8, 9; 61, 62; 61a, 62a; 44, 45) comprendono mezzi rilevatori delle deformazioni in direzione assiale (61; 61a; 45) situati in una posizione di detto primo piano di simmetria (Al), in corrispondenza dell’intersezione con detto secondo piano di simmetria (A2).
10. 10. Tradsduttore a colonna, secondo le rivendicazioni 1, 2, 3, 4, caratterizzato da ciò, che detti mezzi rilevatori (8, 9; 61, 62; 61a, 62a; 44, 45) comprendono mezzi rilevatori delle deformazioni in direzione trasversale (62; 62a; 44), situati in una rispettiva posizione sul secondo piano di simmetria (A2) ad una opportuna distanza dal primo piano di simmetria (Al).
11. 11. Trasduttore a colonna secondo la rivendicazione 10, caratterizzato da ciò, che detta opportuna distanza è preferibilmente intermedia tra l’intersezione di detto primo piano di simmetria (Al) con detto secondo piano di simmetria (A2) ed il bordo di detta cavità (7).