ITUA20163742A1 - "procedimento per la realizzazione di un sensore inclinometrico a fibra ottica, e sensore inclinometrico così ottenuto" - Google Patents

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Description

"PROCEDIMENTO PER LA REALIZZAZIONE DI UN SENSORE INCLINOMETRICO A FIBRA OTTICA, E SENSORE INCLINOMETRICO COSÌ OTTENUTO"
La presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la realizzazione di un sensore inclinometrico e, più precisamente, ad un procedimento per la produzione di un sensore inclinometrico a fibra ottica del tipo a tubo inclinometrico e dedicato alla misura di spostamenti di versanti franosi.
Forma oggetto della presente invenzione anche il sensore inclinometrico ottenuto tramite il suddetto procedimento.
Stato della tecnica
Come è già noto allo stato della tecnica, un inclinometro a sonda (o sonda inclinometrica) comprende un sensore di inclinazione biassiale (e cioè, di tipo potenziometrico, servoaccelerometrico, MEMS), assemblato all’interno di una struttura tubolare scanalata e fornita di supporti rotolanti, e tali per cui il sensore è in grado di scorrere all’interno del tubo scanalato (ovvero il cosiddetto “tubo inclinometrico”), preventivamente cementato in un foro di sondaggio.
Per la messa in opera, il sensore viene calato nel tubo inclinometrico ed, ad intervalli regolari, viene eseguita la misura degli angoli α e β, ortogonali fra di loro, formati dall’asse della sonda rispetto alla direzione verticale/assiale del tubo.
In questo modo, con successive elaborazioni, viene determinato sia lo spostamento locale, alle varie quote in cui è stata eseguita la misura, sia lo spostamento integrale del piano campagna rispetto al fondo foro.
Secondo un’altra applicazione alternativa, è possibile realizzare una serie di misurazioni inclinometriche a “catena”, ovvero realizzate con una sequenza di sensori posizionati ad intervalli prestabiliti.
Negli ultimi tempi sono stati realizzati anche sensori a fibra ottica i quali utilizzano il principio di Brillouin per la misura di deformazioni e distribuiti lungo tre o quattro assi paralleli rispetto all’asse verticale del tubo.
Queste soluzioni presentano pur tuttavia alcuni svantaggi.
Un primo svantaggio consiste nel fatto che i sensori di tipo tradizionale, quando utilizzati in modalità manuale, presentano limiti dovuti sia alla precisione di misura, sia alla possibilità di continuare ad eseguire misure qualora la deformazione del tubo non consenta più il passaggio della sonda. Alternativamente, vengono realizzate catene di sensori ma tale soluzione presenta costi decisamente elevati ed, inoltre, i sensori non possono essere più recuperati qualora la deformazione del tubo inclinometrico superi determinate soglie.
D’altro canto, è noto che i sensori a fibra ottica hanno guadagnato negli ultimi anni un ruolo importante in diversi campi di applicazione, come ad esempio nel campo del monitoraggio strutturale o nel campo del monitoraggio ambientale (come descritto, ad esempio, da J. Dakin e B. Culshaw in “Optical fiber sensors”, Artech House, Boston, 1997). Tale successo è dovuto grandemente alla possibilità che questi sensori offrono di misurare la grandezza fisica di interesse (temperatura e/o deformazione), con continuità e su lunghe distanze. Ulteriori vantaggi risiedono nel basso costo e nell’immunità alle interferenze elettromagnetiche della fibra ottica utilizzata come elemento sensibile alla grandezza di interesse.
Secondo questa costruzione alternativa di sensori inclinometrici a fibra ottica, è prevista l’applicazione di quattro fibre ottiche sulla parete esterna del tubo inclinometrico. In questo modo si è in grado di misurare le deformazioni del tubo lungo quattro assi a due a due complanari e paralleli all’asse verticale del tubo inclinometrico. Secondo questa soluzione costruttiva alternativa, il metodo matematico di ricostruzione sfrutta la “Teoria delle travi secondo Euler-Bernoulli” e prevede l’integrazione delle componenti dei momenti flettenti, Mx(z) e My(z) (rispettivamente, componente lungo l’asse x e componente lungo l’asse y nella generica sezione z), i cui moduli sono funzione dello sforzo, nonché del modulo di Young associato al materiale in cui è realizzato il tubo, e del momento di inerzia del tubo stesso (a sua volta dipendente dalla geometria).
Il limite di questo sistema risiede nella propagazione dell’errore che aumenta man mano dal punto di riferimento iniziale (fondo foro).
Inoltre, esiste lo svantaggio dato dal fatto che la messa in opera delle fibre ottiche lungo i tubi inclinometrici viene effettuata manualmente. Ciò richiede un notevole impegno, sia per quanto attiene il profilo di specializzazione degli operatori, sia per i tempi di messa in opera delle fibre sui tubi.
Inoltre, l’installazione manuale delle fibre è soggetta ad errori di posizionamento angolare delle fibre, che inficiano la qualità dei dati di spostamento ricavati a partire dalle letture di deformazione.
Scopo, quindi, della presente invenzione è quello di risolvere i suddetti svantaggi fornendo un procedimento sistematico per la produzione di sensori inclinometrici in cui sia realizzato il posizionamento automatico di sensori a fibre ottiche lungo un tubo inclinometrico ed in cui sia garantita l’elevata precisione, l’affidabilità e la ripetibilità.
Altro scopo della presente invenzione è quello di fornire una apparecchiatura che sia in grado di realizzare il suddetto procedimento automaticamente.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di fornire un sensore inclinometrico ottenuto secondo il presente procedimento ed apparecchiatura.
Breve descrizione dell’invenzione
La presente invenzione fornisce un procedimento ed una apparecchiatura per la realizzazione di un sensore integrato fibra ottica-MEMS, in cui sono previste le seguenti fasi:
- disporre un tubo di PE;
- eseguire in continuo quattro solchi longitudinali sulla superficie di detto tubo di PE e per tutta la lunghezza di detto tubo, detti solchi essendo ottenuti per asportazione meccanica o, alternativamente, tramite incisione termica;
- posizionare con tensione controllata quattro fibre ottiche ciascuno in un rispettivo solco lungo detto tubo di PE; e
- sigillare detti solchi contenenti le fibre ottiche tramite fusione del PE o, alternativamente, tramite resine epossidiche.
Tramite il presente procedimento ed apparecchiatura, sono ottenuti tubi inclinometrici che presentano numerosi vantaggi rispetto ai tubi inclinometrici dello stato della tecnica.
Un primo vantaggio è dato dal fatto di poter fornire un tubo inclinometrico di PE di qualsivoglia lunghezza e diametro, ed il quale presenti integralmente quattro fibre ottiche in cui tre delle quali sono dedicate alle misure di deformazione, mentre la quarta fibra è dedicata alla misura del profilo di temperatura.
Un altro vantaggio è dato dal fatto di permettere l’esecuzione di misure di deformazioni e spostamenti ad alta risoluzione spaziale (fino a 2 cm), il che significa che è possibile realizzare misure ogni due centimetri lungo l’asse del tubo.
Un ulteriore vantaggio risiede nel fatto di poter fornire tubi inclinometrici in PE in cui all’interno del tubo sia inserita una catena di sensori da utilizzare per la correzione degli errori derivanti dall’integrazione dei momenti flettenti.
Quindi, la presente invenzione fornisce un procedimento ed una apparecchiatura per realizzare sensori inclinometrici secondo le rivendicazioni annesse.
La presente invenzione fornisce altresì un sensore inclinometrico ottenuto secondo il suddetto procedimento ed apparecchiatura.
Descrizione dettagliata dell’invenzione
Verrà ora fornita una descrizione dettagliata di una forma preferita di realizzazione del procedimento e dell’apparecchiatura della presente invenzione, data a titolo esemplificativo e non limitativo, facendo riferimento alle figure annesse, in cui:
la figura 1 è una vista generica in prospettiva dell’apparecchiatura per la realizzazione di tubi inclinometrici secondo il procedimento della presente invenzione;
La figura 2 è una vista in dettaglio dell’apparecchiatura della figura 1;
La figura 3 è una vista generica schematica dell’apparecchiatura relativa al posizionamento di fibre ottiche sul sensore inclinometrico secondo la presente invenzione;
La figura 4 illustra in prospettiva dall’alto e parzialmente in dettaglio dell’apparecchiatura della presente invenzione;
la figura 4 illustra schematicamente una parte di un tubo per la realizzazione di un inclinometro tramite l’apparecchiatura della presente invenzione; e
la figura 5 illustra schematicamente una parte di tubo inclinometrico secondo la presente invenzione.
Con riferimento ora alle figure 1, 2 e 3 verrà descritto il procedimento della presente invenzione.
Secondo la presente invenzione, il procedimento prevede le seguenti fasi principali: a) disporre un tubo di PE;
b) alimentare detto tubo verso una stazione di asportazione di materiale dalla superficie di detto tubo in PE;
c) eseguire in continuo quattro solchi longitudinali sulla superficie di detto tubo di PE e per tutta la lunghezza di detto tubo, detti solchi essendo ottenuti per asportazione meccanica o, alternativamente, tramite incisione termica;
d) posizionare con tensione controllata quattro fibre ottiche, ciascuna delle quali in un rispettivo solco lungo detto tubo di PE; e e) sigillare detti solchi contenenti le fibre ottiche tramite fusione del PE o, alternativamente, tramite resine epossidiche.
La figura 1 illustra schematicamente una apparecchiatura per realizzare il suddetto procedimento.
Secondo la presente invenzione è prevista una apparecchiatura 1 la quale comprende un telaio principale 10 che supporta una unità di alimentazione 2 di un tubo di PE 3 continuo verso una stazione 4 di formazione.
Nella stazione di formazione 4 vengo realizzati quattro solchi longitudinali sulla superficie di detto tubo 3 in PE. Allo scopo, è prevista l’esecuzione in continuo (ossia durante l’avanzamento del tubo 3) dei quattro solchi longitudinali sulla superficie di detto tubo di PE e per tutta la lunghezza di detto tubo. I solchi sono ottenuti per asportazione meccanica o, alternativamente, tramite incisione termica.
Successivamente, il tubo 3 così formato viene alimentato verso una stazione robotizzata 5 di applicazione delle fibre ottiche in corrispondenza di ciascun solco ricavato sulla superficie del tubo 3 ed in continuo, ovvero ciascuna fibra viene alimentata ed inserita in un rispettivo solco durante l’avanzamento del tubo 3.
Secondo l’apparecchiatura della presente invenzione è previsto che essa sia in grado di posizionare più di una fibra lungo l’asse longitudinale del tubo 3 in una disposizione distanziata di 90° oppure di 120° l’una rispetto all’altra.
È necessario evidenziare qui che la alimentazione della fibra ottica sul tubo 3 rappresenta la fase più delicata del processo di realizzazione del sensore inclinometrico.
Infatti, una tensione eccessiva sulla fibra durante il suo posizionamento sul tubo 3 potrebbe sottoporla ad uno stress eccessivo, limitandone il campo di misura (a causa dell’eccessivo pretensionamento) e, nel peggiore dei casi, determinandone la rottura.
Come schematicamente illustrato nella figura 2, la stazione robotizzata 5 comprende quattro bobine 50 in alluminio che ruotano su di un asse in acciaio, grazie a cuscinetti radenti in polimero.
Ciascuna bobina 50 contiene una fibra ottica su di essa avvolta. Le fibre, in uscita dalle rispettive bobine 50 vengono incanalate in rispettivi condotti di guida per convogliare ciascuna fibra nel rispettivo solco ricavato sulla superficie del tubo 3, in ciascun condotto di guida è inserito un tubicino in teflon in cui scorre la fibra ottica (i condotti di guida non essendo rappresentati in figura).
Allo scopo di convogliare le fibre nei rispettivi tubi in teflon all’interno dei condotti, è previsto un elemento di guida 51 disposto frontalmente alla luce di uscita della fibra dalla rispettiva bobina 50, l’elemento di guida 51 presentando una regione conica 52 associata a ciascun condotto di guida. Le regioni coniche 52 sull’elemento di guida 51 permettono di convogliare la fibra ed evitano attriti anomali associati allo spostamento orizzontale della fibra sulla bobina 50 durante il suo svolgimento.
La fibra ottica viene, così guidata fino al punto in cui viene inserita nella scanalatura realizzata sul tubo 3, senza essere in alcun modo esposta ad interferenze che potrebbero determinarne la rottura.
Bisogna qui evidenziare che grazie alla particolare configurazione sopra illustrata della stazione 5 e dei suoi componenti, si perseguono i seguenti obiettivi:
1. La fibra ottica non è sottoposta, in alcun modo, a raggi di curvatura troppo piccoli che possano danneggiarla;
2. La fibra ottica è protetta meccanicamente dai tubi di guida; e
3. La fibra, grazie al tubo in teflon inserito all’interno dei tubi di guida, non è sottoposta ad attriti eccessivi che possano danneggiarla.
Facendo riferimento nuovamente alla figura 1, dopo la stazione 5 di posizionamento delle fibre ottiche sul tubo in PE, è previsto che il tubo così assemblato venga convogliato ad una stazione 6 di sigillatura e/o fissaggio delle fibre ottiche all’interno dei solchi ricavati sulla superficie del tubo 3 e cono lo scopo di rendere le prime solidali al tubo 3.
Allo scopo, è previsto che nella stazione 6 venga eseguita una sigillatura dei solchi contenenti le fibre ottiche tramite fusione del PE o, alternativamente, tramite resine epossidiche.
Quindi, il tubo contenente le fibre ottiche su di esse sigillate vien ulteriormente convogliato verso una seconda stazione 7 di alimentazione di tubo 3 ed alla successiva fase di stoccaggio o taglio (quest’ultima non illustrata nella figura). Con riferimento ora alla figura 3, viene in essa schematicamente illustrata una particolare funzione dell’apparecchiatura della presente invenzione.
Secondo la presente invenzione, l’apparecchiatura 1 è dotata anche di un sistema di verifica della continuità delle fibre ottiche 53 durante le fasi di produzione. La garanzia di continuità delle fibre ottiche 53 installate, rappresenta un elemento fondamentale nel processo di controllo qualità durante le fasi di produzione.
Infatti, la rottura di una fibra 53 comprometterebbe il funzionamento del sistema di misura.
Pertanto, in ogni bobina 50 è inserito un circuito in grado di rilevare la continuità della fibra 53 in essa avvolta, e di trasmettere ad una unità di controllo 8 (PLC) un allarme nell’ipotesi in cui venisse rilevata un’interruzione.
Il sistema di monitoraggio della continuità, funziona secondo il seguente schema:
Dapprima, viene collegato un emettitore laser 9 in corrispondenza all’estremità libera delle fibre 53 da installare.
Quindi, i circuiti inseriti all’interno delle bobine 50 sono collegati ai rispettivi estremi delle fibre 53 da installare e rilevano la presenza del raggio laser trasmesso dall’emettitore 9 collegato alle estremità libere ed accessibili delle fibre 53 (punto di partenza del processo di fissaggio delle fibre 53 sul tubo 3).
Nell’ipotesi in cui una fibra 53 dovesse interrompersi, il circuito rileva l’assenza del segnale della sorgente laser 9 e trasmette un allarme (a mezzo di comunicazione ZigBee) all’unità di controllo PLC 8 che attiva un allarme sonoro ed indica quale delle tre fibre 53 risulta interrotta.
Con riferimento ora alla figura 4 viene in essa illustrata la disposizione finale del tubo 3 e delle fibre 53 in esso contenute.
Il sensore inclinometrico risulta costituito da un tubo 3 in PE in cui sono inserite sulla propria superficie tre fibre ottiche 53 allocate a 120° di distanza l’una rispetto all’altra, saldate sul corpo del tubo 3 ed in grado di trasmettere le deformazioni a cui il tubo 3 verrà sottoposto una volta che esso sia operativo su un terreno.
Una quarta fibra 53 viene sempre inserita nella parete del tubo 3 ma installata in modo da non trasmettere le deformazioni. Pertanto, quest’ultima fibra 53 è destinata alla misura del profilo di temperatura che consentirà la compensazione delle misure da variazioni di natura termica.
A puro scopo esemplificativo e non limitativo, viene indicato ad esempio che secondo una forma di realizzazione del sensore inclinometrico della presente invenzione, il tubo 3 in PE può presentare tipicamente un diametro di 25 mm ed uno spessore di 2 mm.
Per il suo funzionamento, è previsto che esso venga inserito all’interno di un suolo da monitorare. Una deformazione del suolo nel quale il sistema inclinometrico è installato, induce una deformazione del tubo 3 e, quindi, delle compressioni ed elongazioni nelle fibre ottiche 53 in esso contenute.
Pertanto, l’elaborazione delle misure dei profili di sforzo lungo le fibre consente di ricostruire, in tre dimensioni, la deformazione subita dal tubo 3, ovvero di ricavare un profilo inclinometrico del suolo entro il quale il sistema è installato.
Vien qui evidenziato che allo scopo di eseguire le misure e ricavarne i dati di deformazione del tubo 3, viene applicato il metodo matematico di ricostruzione che usa la teoria delle travi di Euler-Bernoulli, in cui è prevista l’integrazione delle componenti dei momenti flettenti, Mx(z) e My(z) (rispettivamente, componente lungo l’asse x e componente lungo l’asse y nella generica sezione z), i cui moduli sono funzione dello sforzo, nonché del modulo di Young associato al materiale in cui è realizzato il tubo 3, e del momento di inerzia del tubo stesso (a sua volta dipendente dalla geometria).
Il problema che si pone con questo metodo di misura è la propagazione dell’errore che aumenta man mano che ci si allontana dal punto di riferimento (fondo foro).
Allo scopo di risolvere questo problema e come illustrato nella figura 5, secondo la presente invenzione, vengono inseriti all’interno del tubo (ad intervalli di 10 metri) una serie di sensori di inclinazione 30 del tipo digitale biassiale, i quali consentono di azzerare l’errore e di avere un ulteriore dato di feedback rispetto alle misure eseguite con ciascuna fibra ottica 53.
I sensori vengono corredati anche di una bussola elettronica in modo da permettere un preciso referenziamento geografico, dell’azimut del vettore di spostamento risultante.

Claims (12)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la realizzazione di un sensore inclinometrico a fibra ottica del tipo comprendente un tubo (3) incorporante sensori a fibra ottica, caratterizzato dalle seguenti fasi: - disporre un tubo (3) di materiale plastico; - eseguire in continuo almeno tre solchi longitudinali sulla superficie di detto tubo (3) e per tutta la lunghezza di detto tubo (3); - posizionare con tensione controllata almeno tre fibre ottiche (53) ciascuna in un rispettivo solco lungo detto tubo (3); e - sigillare detti solchi contenenti le fibre ottiche (53).
  2. 2. Procedimento per la realizzazione di un sensore inclinometrico a fibra ottica secondo la rivendicazione precedente, in cui detti solchi sono ottenuti per asportazione meccanica.
  3. 3. Procedimento per la realizzazione di un sensore inclinometrico a fibra ottica secondo la rivendicazione 1, in cui detti solchi essendo ottenuti tramite incisione termica.
  4. 4. Procedimento per la realizzazione di un sensore inclinometrico a fibra ottica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto tubo (3) è realizzato in PE.
  5. 5. Procedimento per la realizzazione di un sensore inclinometrico a fibra ottica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di sigillatura di detti solchi avviene tramite fusione plastica.
  6. 6. Procedimento per la realizzazione di un sensore inclinometrico a fibra ottica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti 1-4, in cui detta fase di sigillatura di detti solchi avviene tramite resine epossidiche.
  7. 7. Apparecchiatura (1) per la realizzazione di un sensore inclinometrico a fibra ottica che comprende un tubo (3) di materiale plastico e fibre ottiche (53), caratterizzata dal fatto di comprendere: - un telaio principale (10) che supporta una unità di alimentazione (2) di un tubo (3) continuo; - una stazione (4) di formazione, in cui vengono realizzati in continuo e durante l’avanzamento del tubo (3) almeno tre solchi longitudinali sulla superficie di detto tubo (3) per tutta la lunghezza di detto tubo (3); - una stazione robotizzata (5) di applicazione ed in continuo di almeno tre fibre ottiche (53), ciascuna fibra (53) essendo inserita in un rispettivo solco durante l’avanzamento del tubo (3); - una stazione (6) di sigillatura e/o fissaggio delle fibre ottiche (53) all’interno dei solchi ricavati sulla superficie del tubo (3); e - una seconda stazione (7) di alimentazione di tubo (3) per alimentare in uscita il tubo (3) assemblato.
  8. 8. Apparecchiatura (1) per la realizzazione di un sensore inclinometrico secondo la rivendicazione 7, in cui detti solchi sono ottenuti per asportazione meccanica o, alternativamente, tramite incisione termica.
  9. 9. Apparecchiatura (1) per la realizzazione di un sensore inclinometrico secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui la stazione robotizzata (5) comprende: - almeno tre bobine (50), ciascuna bobina (50) contenente una fibra ottica su di essa avvolta; - condotti per convogliare ciascuna fibra (53) in un rispettivo solco ricavato sulla superficie del tubo (3); - un elemento di guida (51) di dette fibre ottiche (53) disposto frontalmente alla luce di uscita della fibra dalla rispettiva bobina (50), l’elemento di guida (51) presentando regioni coniche (52) ciascuna regione conica essendo associata ad un rispettivo condotto di guida di una rispettiva fibra ottica (53).
  10. 10. Apparecchiatura (1) per la realizzazione di un sensore inclinometrico secondo la rivendicazione 7 o 8 o 9, in cui detta stazione di sigillatura (6) esegue una sigillatura dei solchi contenenti le fibre ottiche (53) tramite fusione del materiale de tubo (3) o, alternativamente, tramite resine epossidiche.
  11. 11. Apparecchiatura (1) per la realizzazione di un sensore inclinometrico secondo la rivendicazione 7 o 8 o 9 o 10, comprendente inoltre un sistema di verifica della continuità delle fibre ottiche (53) durante le fasi di produzione, detto sistema di verifica comprendendo: - un circuito inserito in ogni bobina (50) ed essendo collegato alla fibra (53) in essa avvolta; - una unità di controllo o PLC (8) di rilevazione di allarme proveniente da detto circuito nel caso in cui viene rilevata un’interruzione sulla fibra (53) a cui esso è associato; - un emettitore laser (9) collegato in corrispondenza dell’estremità libera delle fibre (53); la disposizione essendo tale per cui i circuiti inseriti all’interno delle bobine (50) sono collegati ai rispettivi estremi delle fibre (53) da installare e rilevano la presenza del raggio laser trasmesso dall’emettitore (9) collegato alle estremità libere ed accessibili delle fibre (53), in cui se una fibra (53) è interrotta il circuito rileva l’assenza del segnale della sorgente laser (9) e trasmette un allarme all’unità di controllo PLC (8), la quale attiva un allarme sonoro ed indica quale delle tre fibre (53) risulta interrotta.
  12. 12. Sensore inclinometrico a fibra ottica, comprendente un tubo (3) di materiale plastico ed almeno tre fibre ottiche (53), caratterizzato dal fatto che: - dette tre fibre ottiche (53) sono disposte lungo l’asse longitudinale del tubo (3) in una disposizione equidistante di 90° oppure di 120° l’una rispetto all’altra; - Una quarta fibra (53) è inserita nella parete del tubo (3) ma installata in modo da non trasmettere deformazioni e preposta per la misura del profilo di temperatura; - all’interno del tubo è presente una serie di sensori di inclinazione (30) del tipo digitale biassiale, detti sensori di inclinazione essendo disposti ad intervalli equidistanti l’uno rispetto dall’altro, e detti sensori di inclinazione essendo corredati di bussola elettronica.
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