ITRM20130584A1 - Elemento strutturale in materiale composito laminato configurato per il monitoraggio del suo stato strutturale. - Google Patents
Elemento strutturale in materiale composito laminato configurato per il monitoraggio del suo stato strutturale.Info
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Description
ELEMENTO STRUTTURALE IN MATERIALE COMPOSITO LAMINATO
CONFIGURATO PER IL MONITORAGGIO DEL SUO
STATO STRUTTURALE
La presente invenzione riguarda un elemento strutturale configurato per il monitoraggio del suo stato strutturale.
Più dettagliatamente, l’invenzione concerne un elemento strutturale del tipo detto configurato sia per sopportare carichi applicati su di esso che per rilevare se detto elemento strutturale è sottoposto ad una sollecitazione, ovvero se ad esso è applicata una qualsiasi forza meccanica, a seguito della quale può essere deformato, ed inviare ad una stazione di controllo esterna i segnali contenenti le informazioni sul suo stato strutturale rilevate.
Nella presente invenzione per elemento strutturale si intende una qualsiasi struttura fisica o parte di essa, come ad esempio un’asta strutturale, una parte di un traliccio, una parte di una torre o una parte di ponte, un autovettura, un aereo, ecc.
Normalmente, una struttura fisica non viene monitorata, se non in rari casi.
In linea generale una struttura fisica è monitorata durante dei test sperimentali.
Una struttura può essere monitorata mediante dei dispositivi che sono posizionati esternamente alla struttura stessa. Ad esempio è possibile prevedere l’impiego di accelerometri per ricostruire lo stato vibratorio della struttura da monitorare.
Uno svantaggio è che detti accelerometri sono spesso soggetti ad usura, malfunzionamenti e rotture, così da richiedere periodicamente interventi di manutenzione.
Inoltre, una struttura può essere monitorata per mezzo di sensori strain gauges o a fibra ottica per acquisire informazioni sulle deformazioni locali subite dalla struttura. Tali sensori sono disposti all’interno della struttura da monitorare.
Tuttavia, lo svantaggio di utilizzare detti sensori è che per detti sensori deve essere necessariamente prevista una alimentazione esterna alla struttura.
Un secondo svantaggio è dato dal fatto che detti sensori non sono in grado di fornire una informazione accurata sulle eventuali deformazioni subite dalla struttura.
Scopo della presente invenzione è quello di fornire un elemento strutturale in materiale composito laminato di semplice realizzazione e a basso costo configurato per il monitoraggio del suo stato strutturale, avente una efficienza elevata ed un ingombro ridotto.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di fornire un elemento strutturale che consenta di compiere un monitoraggio continuo del proprio stato strutturale, sia quando detto elemento strutturale è operativo che quando è sottoposto a manutenzione.
Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un elemento strutturale che comprende: − una pluralità di primi strati sovrapposti uno all’altro;
− almeno un sensore di rilevamento per rilevare una sollecitazione a cui detto elemento strutturale è sottoposto, e per inviare segnali contenenti informazioni su detta sollecitazione; detto almeno un sensore di rilevamento essendo disposto tra due primi strati di detta pluralità di primi strati;
− una unità di elaborazione e trasmissione configurata per ricevere i segnali inviati da detto almeno un sensore di rilevamento, per elaborare detti segnali impacchettandoli, e per inviare segnali impacchettati; detta unità di elaborazione essendo collegata a detto almeno un sensore di rilevamento;
− una unità ricetrasmittente in comunicazione con una stazione di controllo, detta unità ricetrasmittente essendo configurata per ricevere detti segnali impacchettati ed inviarli a detta stazione di controllo mediante una antenna.
In particolare, detta unità di elaborazione e trasmissione può comprendere un microprocessore per impacchettare i segnali inviati ad essa da detto almeno un sensore di rilevamento, dove detto microprocessore è collegato a detto almeno un sensore di rilevamento ed a detta unità ricetrasmittente.
Inoltre, detto elemento strutturale può comprendere un sistema di alimentazione per alimentare detta unità di elaborazione e trasmissione e detta unità ricetrasmittente.
Secondo l’invenzione, detto sistema di alimentazione può comprendere un trasduttore piezoelettrico per convertire una deformazione meccanica in un segnale di corrente elettrica ed un dispositivo di accumulo e di stabilizzazione di energia elettrica per accumulare e stabilizzare detto segnale di corrente elettrica in modo tale che quest’ultimo abbia una soglia tale da alimentare detta unità di elaborazione e trasmissione e detta unità ricetrasmittente.
In particolare, detto dispositivo di accumulo e di stabilizzazione di energia elettrica può comprendere un circuito di alimentazione per alimentare detta unità di elaborazione e di trasmissione e detta unità ricetrasmittente, dove detto circuito di alimentazione comprende un elemento raddrizzatore, un condensatore, collegato a detto elemento raddrizzatore, un comparatore con isteresi per comparare la tensione ai capi di detto condensatore ad una prima soglia di tensione, ed inviare un segnale ad un dispositivo di commutazione per abilitare detto dispositivo di commutazione, quando detta tensione è maggiore o uguale a detta prima soglia di tensione, così che detto dispositivo di commutazione chiuda detto circuito di alimentazione in modo tale che detta unità di elaborazione e trasmissione e detta unità ricetrasmittente siano alimentati, e per disabilitare detto dispositivo di commutazione, quando detta tensione è minore di una seconda soglia di tensione, dove detta seconda soglia di tensione è inferiore a detta prima soglia di tensione, così che detto dispositivo di commutazione apra detto circuito di alimentazione.
In una prima alternativa, detto sistema di alimentazione può essere disposto all’interno di detto elemento strutturale, tra due primi strati di detta pluralità di primi strati.
In una seconda alternativa, detto elemento strutturale può comprendere un corpo scatolare fissato all’esterno di detto elemento strutturale, dove detto corpo scatolare comprende detto microprocessore, detta unità ricetrasmittente e detto sistema di alimentazione, mentre l’antenna è esterna a detto corpo scatolare.
Secondo l’invenzione, detto elemento strutturale può comprendere una pluralità di sensori di rilevamento.
E’ preferibile che ciascuno sensore di rilevamento sia un sensore piezoelettrico.
Vantaggiosamente detto elemento strutturale può comprendere almeno un secondo strato, avente almeno una prima sede per ciascun sensore di rilevamento, dove detto almeno un secondo strato è disposto tra due primi strati di detta pluralità di primi strati.
Inoltre, detto almeno un secondo strato può comprendere una seconda sede per detta unità di elaborazione ed una terza sede per detta unità ricetrasmittente.
È preferibile che detto almeno un secondo strato comprenda una quarta sede ed una quinta sede per ricevere rispettivamente detto trasduttore piezoelettrico e detto dispositivo di accumulo e di stabilizzazione di energia elettrica del sistema di alimentazione.
La presente invenzione verrà ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, secondo sue forme di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:
- la figura 1 è una vista esplosa di una prima forma di realizzazione di un elemento strutturale in materiale composito laminato, oggetto dell’invenzione, in comunicazione con una stazione di controllo per la ricezione e l’elaborazione dei segnali trasmessi da detto elemento strutturale;
- la figura 2 mostra un particolare dell’elemento strutturale di fig. 1 relativo alla disposizione dei sensori di rilevamento, del microprocessore e dell’unità ricetrasmittente;
- la figura 3 mostra schematicamente un circuito di alimentazione presente nel dispositivo di accumulo e di stabilizzazione di energia elettrica del sistema per alimentare una unità di elaborazione e trasmissione ed una unità ricetrasmittente;
- la figura 4 mostra l’isteresi del comparatore del circuito di alimentazione di figura 3;
- la figura 5 è una vista esplosa di una seconda forma di realizzazione di un elemento strutturale in materiale composito laminato, oggetto dell’invenzione, in comunicazione con una stazione di controllo per la ricezione e l’elaborazione di segnali trasmessi da detto elemento strutturale;
- la figura 6 è una vista prospettica dell’elemento strutturale di figura 5.
Con riferimento alle figure 1 e 2, si descrive la prima forma di realizzazione di un elemento strutturale 1 in materiale composito laminato in grado di monitorare il proprio stato strutturale.
Detto elemento strutturale 1 comprende:
- una pluralità di primi strati 2 in materiale composito laminato, sovrapposti tra loro, ed
- una pluralità di sensori di rilevamento 3 per rilevare una qualsiasi sollecitazione cui detto elemento strutturale è sottoposto.
Inoltre, l’elemento strutturale 1 comprende una unità di elaborazione e trasmissione 4, collegata a detti sensori di rilevamento 3, configurata per ricevere i segnali inviati da detti sensori di rilevamento 3, per elaborare detti segnali impacchettandoli e per inviare segnali impacchettati ad una unità ricetrasmittente 5 in comunicazione con una stazione di controllo S.
L’unità di elaborazione e trasmissione 4 comprende un microprocessore (non mostrato) per impacchettare i segnali, che vengono inviati dai sensori di rilevamento 3 e ricevuti dall’unità di elaborazione e trasmissione stessa 4.
L’unità ricetrasmittente 5 è configurata per ricevere detti segnali impacchettati ed inviarli a detta stazione di controllo S mediante una antenna 5A. La trasmissione dei segnali alla stazione di controllo avviene via radio, in banda VHF e/o UHF e/o 2,4GHz.
La stazione di controllo S può essere una stazione fissa o una stazione mobile.
Nella forma di realizzazione che si descrive, l’elemento strutturale 1 comprende nove sensori di rilevamento 3 disposti su un piano secondo una matrice tre per tre.
In particolare, ciascuno di detti sensori di rilevamento 3 è un sensore piezoelettrico.
Sebbene non mostrato nelle figure, l’elemento strutturale 1 può comprendere un qualsiasi numero di sensori di rilevamento 3, anche un solo sensore.
Secondo l’invenzione, l’elemento strutturale 1 comprende un sistema di alimentazione 6 per alimentare detta unità di elaborazione e trasmissione 4 e detta unità ricetrasmittente 5.
Detto sistema di alimentazione 6 comprende un trasduttore piezoelettrico 6A per convertire una deformazione meccanica in un segnale di corrente elettrica ed un dispositivo di accumulo e di stabilizzazione di energia elettrica 6B per accumulare e stabilizzare il segnale di corrente elettrica fornito da detto trasduttore piezoelettrico 6A in modo tale che detto segnale di corrente elettrica abbia una soglia tale da alimentare detta unità di elaborazione e trasmissione 4 e detta unità ricetrasmittente 5. In altre parole, il trasduttore piezoelettrico 6A trasforma eventuali vibrazioni meccaniche dell’elemento strutturale in energia elettrica e fornisce detta energia elettrica a detto dispositivo di accumulo e di stabilizzazione di energia elettrica 6B.
In particolare, il segnale di corrente elettrica proveniente dal trasduttore piezoelettrico 6A viene raddrizzato da un elemento raddrizzatore 60 e immagazzinato in un condensatore 61. Nel circuito di alimentazione mostrato in figura 3, detto elemento raddrizzatore 60 è un ponte di diodi.
Se la tensione VCai capi del condensatore 61 è maggiore o uguale ad una prima soglia di tensione VH, un comparatore con isteresi 62, collegato a detto condensatore 61, invia un segnale che abilita un dispositivo di commutazione 63 (c.d. “low-dropout regulator”) che è collegato a detto comparatore. Detto dispositivo di commutazione 63 chiude detto circuito di alimentazione ed il microprocessore dell’unità di elaborazione e trasmissione 4 e l’unità ricetrasmittente 5 sono alimentati. Il dispositivo di commutazione 63 chiude tale circuito di alimentazione finché la tensione VCai capi del condensatore 61 raggiunge una seconda soglia di tensione VL,inferiore a detta prima soglia di tensione. Ciò significa che per tutto il tempo in cui la tensione VCha un valore compreso tra la prima soglia di tensione VHe la seconda soglia di tensione VLil dispositivo di commutazione 63 è abilitato e, di conseguenza, il microprocessore dell’unità di elaborazione e trasmissione 4 e l’unità ricetrasmittente 5 sono alimentati.
Quando la tensione ai capi del condensatore 61 è minore a detta seconda soglia di tensione VL, il comparatore 62 disabilita il dispositivo di commutazione 63 che apre detto circuito di alimentazione. Di conseguenza, il microprocessore dell’unità di elaborazione e trasmissione 4 e l’unità ricetrasmittente 5 non sono più alimentati.
L’isteresi del comparatore 62 è mostrata nella figura 4.
La figura 4 mostra la tensione di ingresso VINe la tensione di uscita VOUTal comparatore 62.
Il dispositivo di commutazione 63 è abilitato per tutto il tempo in cui la tensione di uscita VOUTè pari ad una tensione VA,che è la tensione sufficiente ad abilitare il dispositivo di commutazione 63.
Inoltre, dalla figura 4 è possibile vedere come rapide variazioni di tensione, rappresentate in figura da dei picchi, non vengono considerate dal comparatore 62.
Il dispositivo di accumulo e di stabilizzazione di energia elettrica 6B può comprendere una o più celle fotovoltaiche oppure un generatore eolico oppure una o più celle di Peltier oppure uno o più trasduttori meccanici di vibrazioni.
In particolare, detto elemento strutturale 1 comprende un secondo strato 20 in materiale composito laminato che è disposto tra due primi strati 2 di detta pluralità di primi strati 2 ed ha dimensioni uguali a quelle di detti primi strati 2. In particolare, detto secondo strato 20 è configurato per consentire l’inserimento di detti sensori di rilevamento 3, di detta unità di elaborazione e trasmissione 4, di detta unità ricetrasmittente 5 e di detto sistema di alimentazione all’interno del secondo strato 20 stesso.
Più in particolare, detto secondo strato 20 è dotato di rispettive prime sedi 20A per ricevere ciascun sensore di rilevamento 3, di una seconda sede 20B per ricevere l’unità di elaborazione e trasmissione 4, di una terza sede 20C per ricevere l’unità ricetrasmittente 5 e di una quarta sede 20D e di una quinta sede 20E per ricevere rispettivamente il trasduttore piezoelettrico 6A ed il dispositivo di stabilizzazione di energia elettrica 6B del sistema di alimentazione 6.
Ciascuna sede 20A-20D del secondo strato 20 sono dimensionate per consentire l’inserimento del rispettivo componente.
I sensori di rilevamento 3, l’unità di elaborazione e trasmissione 4, l’unità ricetrasmittente 5 ed il sistema di alimentazione 6 hanno uno spessore tale da essere minore o uguale a quello del secondo strato 20 così che un primo strato 2 disposto al di sopra di detto secondo strato 20 ed un primo strato 2 disposto al di sotto di detto secondo strato 20 siano perfettamente sovrapposti a detto secondo strato 20.
Detti sensori di rilevamento 3, detta unità di elaborazione e trasmissione 4 e detto sistema di alimentazione 6 sono ultrasottili.
In particolare, il loro spessore può essere dell’ordine di grandezza di millimetri ed in particolare inferiore a 1,5mm.
Sebbene non mostrato nelle figure, non è necessario prevedere un secondo strato 20 dotato di sedi per ricevere la componentistica elettronica dell’elemento strutturale.
In una variante non mostrata nelle figure, detto elemento strutturale 1 può comprendere uno o più sensori di temperatura (non mostrati) per misurare la temperatura dell’elemento strutturale 1 stesso. In questo caso, ad esempio, il secondo strato 20 sarà dotato di ulteriori sedi per ricevere un rispettivo sensore di temperatura.
Vantaggiosamente, detto sistema di alimentazione 6 alimenta detta unità di elaborazione e trasmissione 4 e detta unità ricetrasmittente 5 previste all’interno dell’elemento strutturale 1, evitando così che sia necessario prevedere una alimentazione esterna per detto elemento strutturale. In questo modo, l’elemento strutturale è autoalimentato.
Sebbene non mostrato nelle figure, in una prima alternativa al sistema di alimentazione 6, è possibile prevedere una o più celle ricaricabili oppure uno o più condensatori ad alta capacità.
In una seconda alternativa, è possibile prevedere una alimentazione esterna all’elemento strutturale 1.
Nella seconda forma di realizzazione mostrata nelle figure 5 e 6, a differenza della prima forma di realizzazione, l’elemento strutturale 1 comprende tre sensori piezoelettrici allineati.
Inoltre, il microprocessore della unità di elaborazione e trasmissione 4, l’unità ricetrasmittente 5 ed il sistema di alimentazione 6 sono disposti all’interno di un corpo scatolare 7 disposto esternamente all’elemento strutturale 1 stesso. Solo l’antenna 5A dell’unità ricetrasmittente 5 è esterna al corpo scatolare 7.
Vantaggiosamente, come anticipato, l’elemento strutturale in materiale composito laminato, oggetto della presente invenzione, è in grado di supportare carichi, come una tradizionale struttura passiva, e al contempo fornire informazioni sul proprio stato strutturale ad una stazione di controllo.
Un secondo vantaggio è la possibilità di monitorare continuamente l’elemento strutturale sia quando esso è operativo che quando è sottoposto a manutenzione.
Un altro vantaggio è che detto elemento strutturale non comprende necessariamente componenti esterni, che potrebbero essere soggetti direttamente ad azioni esterne e/o a condizioni ambientali critiche.
Ancora un vantaggio è che l’elemento strutturale può essere impiegato sia con riferimento a strutture fisse e flessibili, come ad esempio ponti, torri, tralicci, ponteggi ecc., che a strutture flessibili, come ad esempio autovetture, imbarcazioni, treni, aerei, ecc., dove con il termine flessibile si intendono strutture soggette a vibrazioni.
La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti del ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.
Claims (12)
- RIVENDICAZIONI 1. Elemento strutturale (1) in materiale composito laminato comprendente: − una pluralità di primi strati (2) sovrapposti uno all’altro; − almeno un sensore di rilevamento (3) per rilevare una sollecitazione a cui detto elemento strutturale (1) è sottoposto, e per inviare segnali contenenti informazioni su detta sollecitazione; detto almeno un sensore di rilevamento (3) essendo disposto tra due primi strati (2) di detta pluralità di primi strati (2); − una unità di elaborazione e trasmissione (4) configurata per ricevere i segnali inviati da detto almeno un sensore di rilevamento (3), per elaborare detti segnali impacchettandoli, e per inviare segnali impacchettati; detta unità di elaborazione e trasmissione essendo collegata a detto almeno un sensore di rilevamento (3); − una unità ricetrasmittente (5) in comunicazione con una stazione di controllo (S), detta unità ricetrasmittente (5) essendo configurata per ricevere detti segnali impacchettati ed inviarli a detta stazione di controllo (S) mediante una antenna (5A).
- 2. Elemento strutturale (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta unità di elaborazione e trasmissione (4) comprende un microprocessore per impacchettare i segnali inviati ad essa da detto almeno un sensore di rilevamento (3); detto microprocessore essendo collegato a detto almeno un sensore di rilevamento (3) ed a detta unità ricetrasmittente (5).
- 3. Elemento strutturale (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che comprende un sistema di alimentazione (6) per alimentare detta unità di elaborazione e trasmissione (4) e detta unità ricetrasmittente (5).
- 4. Elemento strutturale (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto sistema di alimentazione (6) comprende un trasduttore piezoelettrico (6A) per convertire una deformazione meccanica in un segnale di corrente elettrica ed un dispositivo di accumulo e di stabilizzazione di energia elettrica (6B) per accumulare e stabilizzare detto segnale di corrente elettrica in modo tale che quest’ultimo abbia una soglia tale da alimentare detta unità di elaborazione e trasmissione (4) e detta unità ricetrasmittente (5).
- 5. Elemento strutturale (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di accumulo e di stabilizzazione di energia elettrica (6B) comprende un circuito di alimentazione per alimentare detta unità di elaborazione e di trasmissione (4) e detta unità ricetrasmittente (5), dove detto circuito di alimentazione comprende un elemento raddrizzatore (60), un condensatore (61), collegato a detto elemento raddrizzatore (60), un comparatore con isteresi (62) per comparare la tensione (VC) ai capi di detto condensatore (61) ad una prima soglia di tensione (VH), ed inviare un segnale ad un dispositivo di commutazione (63) per abilitare detto dispositivo di commutazione (63), quando detta tensione (Vc) è maggiore o uguale a detta prima soglia di tensione (VH), così che detto dispositivo di commutazione (63) chiuda detto circuito di alimentazione in modo tale che detta unità di elaborazione e trasmissione (4) e detta unità ricetrasmittente (5) siano alimentati, e per disabilitare detto dispositivo di commutazione (63), quando detta tensione (Vc) è minore di una seconda soglia di tensione (VL), dove detta seconda soglia di tensione (VL) è inferiore a detta prima soglia di tensione (VH), così che detto dispositivo di commutazione (63) apra detto circuito di alimentazione.
- 6. Elemento strutturale (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3-5, caratterizzato dal fatto che detto sistema di alimentazione (6) è disposto all’interno di detto elemento strutturale (1), tra due primi strati (2) di detta pluralità di primi strati (2).
- 7. Elemento strutturale (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3-5, caratterizzato dal fatto di comprendere un corpo scatolare (7) fissato all’esterno di detto elemento strutturale (1), detto corpo scatolare comprendendo detto microprocessore, detta unità ricetrasmittente (5), e detto sistema di alimentazione (6); detta antenna (5A) essendo esterna a detto corpo scatolare (7).
- 8. Elemento strutturale (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende una pluralità di sensori di rilevamento (3).
- 9. Elemento strutturale (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascuno sensore di rilevamento (3) è un sensore piezoelettrico.
- 10. Elemento strutturale (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende almeno un secondo strato (20), avente almeno una prima sede (20A) per ciascun sensore di rilevamento (3); detto almeno un secondo strato (20) essendo disposto tra due primi strati (2) di detta pluralità di primi strati (2).
- 11. Elemento strutturale (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto almeno un secondo strato (20) comprende una seconda sede (20B) per detta unità di elaborazione e trasmissione (4) ed una terza sede (20C) per detta unità ricetrasmittente (5).
- 12. Elemento strutturale (1) secondo la rivendicazione 4 e la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detto almeno un secondo strato (20) comprende una quarta sede (20D) ed una quinta sede (20E) per ricevere rispettivamente detto trasduttore piezoelettrico (6A) e detto dispositivo di accumulo e di stabilizzazione di energia elettrica (6B) del sistema di alimentazione (6).
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| Title |
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| "BQ 2003 Fast-Charge IC", BENCHMARQ PRODUCTS FROM TEXAS INSTRUMENTS, 14 July 2012 (2012-07-14), XP055125245, Retrieved from the Internet <URL:http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq2003.pdf> [retrieved on 20140625] * |
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